In this investigation, study of the static and dynamic behaviors of functionally graded beams (FGB) is presented using a hyperbolic shear deformation theory (HySDT). The simply supported FG-beam is resting on the elastic foundation (Winkler-Pasternak types). The properties of the FG-beam vary according to exponential (E-FGB) and power-law (P-FGB) distributions. The governing equations are determined via Hamilton's principle and solved by using Navier's method. To show the accuracy of this model (HySDT), the current results are compared with those available in the literature. Also, various numerical results are discussed to show the influence of the variation of the volume fraction of the materials, the power index, the slenderness ratio and the effect of Winkler spring constant on the fundamental frequency, center deflection, normal and shear stress of FG-beam.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad;Arani, M.R. Ghorbanpour
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.4
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pp.439-455
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2019
This research deals with thermo-electro-mechanical buckling analysis of the sandwich nano-beams with face-sheets made of functionally graded carbon nano-tubes reinforcement composite (FG-CNTRC) based on the nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) considering various higher-order shear deformation beam theories (HSDBT). The sandwich nano-beam with FG-CNTRC face-sheets is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Pasternak's foundation. It is assumed that the material properties of the face-sheets change continuously along the thickness direction according to different patterns for CNTs distribution. In order to include coupling of strain and electrical field in equation of motion, the nonlocal non-classical nano-beam model contains piezoelectric effect. The governing equations of motion are derived using Hamilton principle based on HSDBTs and NSGET. The differential quadrature method (DQM) is used to calculate the mechanical buckling loads of sandwich nano-beam as well as critical voltage and temperature rising. After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various HSDBTs, length scale parameter (strain gradient parameter), the nonlocal parameter, the CNTs volume fraction, Pasternak's foundation coefficients, various boundary conditions, the CNTs efficiency parameter and geometric dimensions on the buckling behaviors of FG sandwich nano-beam. The numerical results indicate that, the amounts of the mechanical critical load calculated by PSDBT and TSDBT approximately have same values as well as ESDBT and ASDBT. Also, it is worthy noted that buckling load calculated by aforementioned theories is nearly smaller than buckling load estimated by FSDBT. Also, similar aforementioned structure is used to building the nano/micro oscillators.
In this paper, a new application of a four variable refined plate theory to analyze the nonlinear bending of functionally graded plates exposed to thermo-mechanical loadings, is presented. This recent theory is based on the assumption that the transverse displacements consist of bending and shear components in which the bending components do not contribute toward shear forces, and similarly, the shear components do not contribute toward bending moments. The derived transverse shear strains has a quadratic variation across the thickness that satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factors. The material properties are assumed to vary continuously through the thickness of the plate according to a power-law distribution of the volume fraction of the constituents. The solutions are achieved by minimizing the total potential energy. The non-linear strain-displacement relations in the von Karman sense are used to derive the effect of geometric non-linearity. It is concluded that the proposed theory is accurate and simple in solving the nonlinear bending behavior of functionally graded plates.
In this study, the effect of the size of B powder on the critical current density (Jc) of MgB2 prepared by an in situ reaction process was investigated. Various combinations of B powders were made using a micron B, ball-milled B and nano B powders. Micron B powder was reduced by ball milling and the milled B powder was mixed with the micron B or nano B powder. The mixing ratios of the milled B and micron or nano B were 100:0, 50:50 and 0:100. Non-milled micron B powder was also mixed with nano powder in the same ratios. Pellets of (2B+Mg) prepared with various B mixing ratios were heat-treated to form MgB2. Tc of MgB2 decreased slightly when the milled B was used, whereas the Jc of MgB2 increased with increasing amount of the milled B or the nano powder. The used of the milled B and nano B power promoted the formation MgB2 during heat treatment. In addition to the enhanced formation of MgB2, the use of the powders reduced the grain size of MgB2. The use of the milled and nano B powder increased the Jc of MgB2. The highest Jc was achieved when 100% nano B powder was used. The Jc enhancement is attributed to the high volume fraction of the superconducting phase (MgB2) and the large grain boundaries, which induces the flux pinning at the magnetic fields.
This paper presents a high-order shear and normal deformation theory for the bending of FGM plates. The number of unknowns and governing equations of the present theory is reduced, and hence makes it simple to use. Unlike any other theory, the number of unknown functions involved in displacement field is only four, as against five or more in the case of other shear and normal deformation theories. Based on the novel shear and normal deformation theory, the position of neutral surface is determined and the governing equilibrium equations based on neutral surface are derived. There is no stretching-bending coupling effect in the neutral surface-based formulation, and consequently, the governing equations of functionally graded plates based on neutral surface have the simple forms as those of isotropic plates. Navier-type analytical solution is obtained for functionally graded plate subjected to transverse load for simply supported boundary conditions. The accuracy of the present theory is verified by comparing the obtained results with other quasi-3D higher-order theories reported in the literature. Other numerical examples are also presented to show the influences of the volume fraction distribution, geometrical parameters and power law index on the bending responses of the FGM plates are studied.
Zhao, Li-Cai;Chen, Shi-Shuenn;Xu, Yi-Peng;Tahouneh, Vahid
Steel and Composite Structures
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v.38
no.5
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pp.477-496
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2021
The main objective of this paper is to study vibration of sandwich open cylindrical panel with damaged core and FG face sheets based on three-dimensional theory of elasticity. The structures are made of a damaged isotropic core and two external face sheets. These skins are strengthened at the nanoscale level by randomly oriented Carbon nanotubes (CNTs) and are reinforced at the microscale stage by oriented straight fibers. These reinforcing phases are included in a polymer matrix and a three-phase approach based on the Eshelby-Mori-Tanaka scheme and on the Halpin-Tsai approach, which is developed to compute the overall mechanical properties of the composite material. Three complicated equations of motion for the panel under consideration are semi-analytically solved by using 2-D differential quadrature method. Several parametric analyses are carried out to investigate the mechanical behavior of these multi-layered structures depending on the damage features, through-the-thickness distribution and boundary conditions. It is seen that for the large amount of power-law index "P", increasing this parameter does not have significant effect on the non-dimensional natural frequency parameters of the FG sandwich curved panel. Results indicate that by increasing the value of isotropic damage parameter "D" up to the unity (fully damaged core) the frequency would tend to become zero. One can dictate the fiber variation profile through the radial direction of the sandwich panel via the amount of "P", "b" and "c" parameters. It should be noticed that with increase of volume fraction of fibers, the frequency parameter of the panels does not increase necessarily, so by considering suitable amounts of power-law index "P" and the parameters "b" and "c", one can get dynamic characteristics similar or better than the isotropic limit case for laminated FG curved panels.
Lightweight concrete is a superior material due to its light weight and high strength. There however remain significant lacunae in engineering knowledge with regards to shear failure of lightweight fiber reinforced concrete beams. The main aim of the present study is to investigate the optimum usage of steel fibers in lightweight fiber reinforced concrete (LWFRC). Multi-scale finite element model calibrated with experimental results is developed to study the effect of steel fibers on the mechanical properties of LWFRC beams. To decrease the amount of steel fibers, it is preferred to reinforce only the middle section of the LWFRC beams, where the flexural stresses are higher. For numerical simulation, a multi-scale finite element model was developed. The cement matrix was modeled as homogeneous and uniform material and both steel fibers and lightweight coarse aggregates were randomly distributed within the matrix. Considering more realistic assumptions, the bonding between fibers and cement matrix was considered with the Cohesive Zone Model (CZM) and its parameters were determined using the model update method. Furthermore, conformity of Load-Crack Mouth Opening Displacement (CMOD) curves obtained from numerical modeling and experimental test results of notched beams under center-point loading tests were investigated. Validating the finite element model results with experimental tests, the effects of fibers' volume fraction, and the length of the reinforced middle section, on flexural and residual strengths of LWFRC, were studied. Results indicate that using steel fibers in a specified length of the concrete beam with high flexural stresses, and considerable savings can be achieved in using steel fibers. Reducing the length of the reinforced middle section from 50 to 30 cm in specimens containing 10 kg/m3 of steel fibers, resulting in a considerable decrease of the used steel fibers by four times, whereas only a 7% reduction in bearing capacity was observed. Therefore, determining an appropriate length of the reinforced middle section is an essential parameter in reducing fibers, usage leading to more affordable construction costs.
Powder metallurgy has been employed for the development of SiC particle reinforced aluminum metal matrix composites by means of hot isotropic pressing and vacuum hot pressing. A material model based on micro-mechanical approach then has been presented for the processes. Densification occurs by the inelastic flow of matrix materials during the consolidation, and consequently it depends on many process conditions such as applied pressure, temperature and volume fraction of reinforcement. The model is implemented into finite element software so that the process simulation can be performed enabling the predicted relative density to be compared with experimental data. In order to determine the performance of finished products, further tensile test has been conducted using the developed specimens. The effect of internal void of the materials on mechanical properties therefore can be investigated.
The puncture properties under various conditions were investigated for the optimum conditions to yield the best properties. Fiber aspect ratio(AR: length of fiber/diameter of fiber), interphase condition and fiber content were considered as variables which impact the puncture force and friction force. The puncture force of short-fiber reinforced rubber increases up to 3.4 times compared to the virgin material. The better interphase condition shows the higher puncture force at given fiber AR and fiber content. The friction force of the matrix and reinforced rubber with a fiber AR below 155 does not exist. The friction force of the reinforced rubber with the good interphase condition and high fiber AR is higher than puncture force of matrix. Overall, it was found that the interphase condition, fiber AR and fiber content have an important effect on the puncture properties.
Minor mergers leave behind long lived, but extremely faint and extended tidal features including tails, streams, loops and plumes. These act as a fossil record for the host galaxy's past interactions, allowing us to infer recent accretion histories and place constraints on the properties and nature of a galaxy's dark matter halo. However, shallow imaging or small homogeneous samples of past surveys have resulted in weak observational constraints on the role of galaxy mergers and interactions in galaxy assembly. The Rubin Observatory, which is optimised to deliver fast, wide field-of-view imaging, will enable deep and unbiased observations over the 18,000 square degrees of the Legacy Survey of Space and Time (LSST), resulting in samples of potentially of millions of objects undergoing tidal interactions. Using realistic mock images produced with state-of-the-art cosmological simulations we perform a comprehensive theoretical investigation of the extended diffuse light around galaxies and galaxy groups down to low stellar mass densities. We consider the nature, frequency and visibility of tidal features and debris across a range of environments and stellar masses as well as their reliability as an indicator of galaxy accretion histories. We consider how observational biases such as projection effects, the point-spread-function and survey depth may effect the proper characterisation and measurement of tidal features, finding that LSST will be capable of recovering much of the flux found in the outskirts of L* galaxies at redshifts beyond local volume. In our simulated sample, tidal features are ubiquitous In L* galaxies and remain common even at significantly lower masses (M*>10^10 Msun). The fraction of stellar mass found in tidal features increases towards higher masses, rising to 5-10% for the most massive objects in our sample (M*~10^11.5 Msun). Such objects frequently exhibit many distinct tidal features often with complex morphologies, becoming increasingly numerous with increased depth. The interpretation and characterisation of such features can vary significantly with orientation and imaging depth. Our findings demonstrate the importance of accounting for the biases that arise from projection effects and surface-brightness limits and suggest that, even after the LSST is complete, much of the discovery space in low surface-brightness Universe will remain to be explored.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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