To develop a piezoelectric inkjet printhead for high-resolution and high-speed printing, we studied the characteristics of an inkjet printhead by analyzing the major design parameters. An analytical model for the inkjet printhead was established, and numerical analysis of the coupled first-order differential equation for the defined state variables was performed using state equations. To design the dimension of the inkjet printhead with a driving frequency of 100 kHz, the characteristics of the flow rate and discharge pressure of the nozzle were analyzed with respect to design variables of the flow chamber, effective sound wave velocity, driving voltage, and voltage waveform. It was predicted that the change in the height of the flow chamber does not significantly affect the Helmholtz resonance frequency and discharge speed of the nozzle. From the analysis of change in flow chamber width, it is observed that as the width of the flow chamber increases, the ejection speed greatly increases and the Helmholtz resonance frequency decreases considerably, thereby substantially affecting the performance of the inkjet printhead.
Hajmohammad, Mohammad Hadi;Zarei, Mohammad Sharif;Farrokhian, Ahmad;Kolahchi, Reza
Advances in nano research
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제6권4호
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pp.299-321
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2018
A layerwise shear deformation theory is applied in this paper for buckling analysis of piezoelectric truncated conical shell. The core is a multiphase nanocomposite reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and carbon fibers. The top and bottom face sheets are piezoelectric subjected to 3D electric field and external voltage. The Halpin-Tsai model is used for obtaining the effective moisture and temperature dependent material properties of the core. The proposed layerwise theory is based on Mindlin's first-order shear deformation theory in each layer and results for a laminated truncated conical shell with three layers considering the continuity boundary condition. Applying energy method, the coupled motion equations are derived and analyzed using differential quadrature method (DQM) for different boundary conditions. The influences of some parameters such as boundary conditions, CNTs weight percent, cone semi vertex angle, geometrical parameters, moisture and temperature changes and external voltage are investigated on the buckling load of the smart structure. The results show that enhancing the CNTs weight percent, the buckling load increases. Furthermore, increasing the moisture and temperature changes decreases the buckling load.
Alazwari, Mashhour A.;Abdelrahman, Alaa A.;Wagih, Ahmed;Eltaher, Mohamed A.;Abd-El-Mottaleb, Hanaa E.
Steel and Composite Structures
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제38권5호
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pp.583-597
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2021
This article develops a nonclassical model to analyze bending response of squared perforated microbeams considering the coupled effect of microstructure and surface stress under different loading and boundary conditions, those are not be studied before. The corresponding material and geometrical characteristics of regularly squared perforated beams relative to fully filled beam are obtained analytically. The modified couple stress and the modified Gurtin-Murdoch surface elasticity models are adopted to incorporate the microstructure as well as the surface energy effects. The differential equations of equilibrium including the Poisson's effect are derived based on minimum potential energy. Exact closed form solution is obtained for bending behavior of the proposed model considering the classical and nonclassical boundary conditions for both uniformly distributed and concentrated loads. The proposed model is verified with results available in the literature. Influences of the microstructure length scale parameter, surface energy, beam thickness, boundary and loading conditions on the bending behavior of perforated microbeams are investigated. It is observed that microstructure and surface parameters are vital in investigation of the bending behavior of perforated microbeams. The obtained results are supportive for the design, analysis and manufacturing of perforated nanobeams that commonly used in nanoactuators, nanoswitches, MEMS and NEMS systems.
The present study tackles the problem of forced vibration of imperfect axially functionally graded shell structure with truncated conical geometry. The linear and nonlinear large-deflection of the structure are considered in the mathematical formulation using von-Kármán models. Modified coupled stress method and principle of minimum virtual work are employed in the modeling to obtain the final governing equations. In addition, formulations of classical elasticity theory are also presented. Different functions, including the linear, convex, and exponential cross-section shapes, are considered in the grading material modeling along the thickness direction. The grading properties of the material are a direct result of the porosity change in the thickness direction. Vibration responses of the structure are calculated using the semi-analytical method of a couple of homotopy perturbation methods (HPM) and the generalized differential quadrature method (GDQM). Contradicting effects of small-scale, porosity, and volume fraction parameters on the nonlinear amplitude, frequency ratio, dynamic deflection, resonance frequency, and natural frequency are observed for shell structure under various boundary conditions.
This paper investigates the stability of a bi-directional functionally graded (BD-FG) cylindrical beam made of imperfect concrete, taking into account size-dependency and the effect of geometry on its stability behavior. Both buckling and dynamic behavior are analyzed using the modified coupled stress theory and the classical beam theory. The BD-FG structure is created by using porosity-dependent FG concrete, with changing porosity voids and material distributions along the pipe radius, as well as uniform and nonuniform radius functions that vary along the beam length. Energy principles are used to generate partial differential equations (PDE) for stability analysis, which are then solved numerically. This study sheds light on the complex behavior of BD-FG structures, and the results can be useful for the design of stable cylindrical microstructures.
A computational study of combined thermal and solutal convection (double diffusive convection) in a sealed crystal growth reactor is presented, based on a two-dimensional numerical analysis of the nonlinear and strongly coupled partial differential equations and their associated boundary conditions. The average Nusselt numbers for the source regions are greater than those at the crystal regions for 9.73 × 103 ≤ Grt ≤ 6.22 × 105. The average Nusselt numbers for the source regions varies linearly and increases directly with the thermal Grashof number form 9.73 × 103 ≤ Grt ≤ 6.22 × 105 for aspect ratio, Ar (transport length-to-width) = 1 and 2. Additionally, the average Nusselt numbers for the crystal regions at Ar = 1 are much greater than those at Ar = 2. Also, the occurrence of one unicellular flow structure is caused by both the thermal and solutal convection, which is inherent during the physical vapor transport of Hg2Br2. When the aspect ratio of the enclosure increases, the fluid movement is hindered and results in the decrease of thermal buoyancy force.
Biophysicochemical processes in water environments and treatment systems have been great concerns of engineers and scientists for controlling the fate and transport of contaminants. These processes are practically formulated as mathematical models written in coupled differential equations. However, because these process-based mathematical models consist of a large number of model parameters, they are complicated in analytical or numerical computation. Users need to perform substantial trials and errors to achieve the best-fit simulation to measurements, relying on arbitrary selection of fitting parameters. Therefore, this study adopted a Bayesian calibration method to estimate best-fit model parameters in a systematic way and evaluated the applicability of the calibration method to biophysicochemical processes of water environments and treatment systems. The Bayesian calibration method was applied to the microbial growth-decay kinetics and flocculation kinetics, of which experimental data were obtained with batch kinetic experiments. The Bayesian calibration method was proven to be a reasonable, effective way for best-fit parameter estimation, demonstrating not only high-quality fitness, but also sensitivity of each parameter and correlation between different parameters. This state-of-the-art method will eventually help scientists and engineers to use complex process-based mathematical models consisting of various biophysicochemical processes.
The aim of current work is to evaluate thermo-electrical characteristics of graphene nanoplatelets Reinforced Composite (GNPRC) coupled with magneto-electro-elastic (MEE) face sheet. In this regard, a cylindrical smart nanocomposite made of GNPRC with an external MEE layer is considered. The bonding between the layers are assumed to be perfect. Because of the layer nature of the structure, the material characteristics of the whole structure is regarded as graded. Both mechanical and thermal boundary conditions are applied to this structure. The main objective of this work is to determine critical temperature and critical voltage as a function of thermal condition, support type, GNP weight fraction, and MEE thickness. The governing equation of the multilayer nanocomposites cylindrical shell is derived. The generalized differential quadrature method (GDQM) is employed to numerically solve the differential equations. This method is integrated with Deep Learning Network (DNN) with ADADELTA optimizer to determine the critical conditions of the current sandwich structure. This the first time that effects of several conditions including surrounding temperature, MEE layer thickness, and pattern of the layers of the GNPRC is investigated on two main parameters critical temperature and critical voltage of the nanostructure. Furthermore, Maxwell equation is derived for modeling of the MEE. The outcome reveals that MEE layer, temperature change, GNP weight function, and GNP distribution patterns GNP weight function have significant influence on the critical temperature and voltage of cylindrical shell made from GNP nanocomposites core with MEE face sheet on outer of the shell.
본 논문에서는 선회모드와 구조모드를 가지는 복합좌표계 시스템의 선회동역학을 시간유한요소법을 이용하여 전개할 때에 발생하는 수치적 문제점을 극복할 수 있는 해석적 해법을 제안하였다. 시간유한요소법을 이용한 복합좌표계 시스템의 동역학은 선회모드와 구조모드가 서로 연성된 두 개의 행렬미분방정식으로 전개될 수 있음을 보였다. 공간전파관계식을 시간영역 모드좌표계로 변환하고, 각 시간모드에 대한 해석적 공간전파관계식을 유도하였다. 경계조건의 적용을 통해 선회각에 대한 해석적 관계식을 구하였으며, 이를 이용함으로써 각 모드에 대한 공간 특성치를 구하였다. 수치 예제를 통하여 기존의 상태천이행렬을 이용한 해법과 비교함으로써 제안된 해석적 해법을 타당성을 검증하였다.
A dynamic model has been developed to simulate dynamic operation of a real double-effect absorption chiller. Dynamic behavior of working fluids in main components was modeled in first-order nonlinear differential equations based on heat and mass balances. Mass transport mechanisms among the main components were modeled by valve throttling, 'U' tube overflow and solution sub-cooling. The nonlinear dynamic equations coupled with the subroutines to calculate thermodynamic properties of working fluids were solved by a numerical method. The dynamic performance of the model was compared with the test data of a commercial medium chiller. The model showed a good agreement with the test data except for the first 5,000 seconds during which different flow rates of the weak solution caused some discrepancy. It was found that the chiller dynamics is governed by the inlet temperatures of the cooling water and the chilled water when the heat input to the chiller is relatively constant.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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