The present study deals with two dimensional electro-elastic analysis of a functionally graded piezoelectric (FGP) cylinder under internal pressure. Energy method and first order shear deformation theory (FSDT) are employed for this purpose. All mechanical and electrical properties except Poisson ratio are considered as a power function along the radial direction. The cylinder is subjected to uniform internal pressure. By supposing two dimensional displacement and electric potential fields along the radial and axial direction, the governing differential equations can be derived in terms of unknown electrical and mechanical functions. Homogeneous solution can be obtained by imposing the appropriate mechanical and electrical boundary conditions. This proposed solution has capability to solve the cylinder structure with arbitrary boundary conditions. The previous solutions have been proposed for the problem with simple boundary conditions (simply supported cylinder) by using the routine functions such as trigonometric functions. The axial distribution of the axial displacement, radial displacement and electric potential of the cylinder can be presented as the important results of this paper for various non homogeneous indexes. This paper evaluates the effect of a local support on the distribution of mechanical and electrical components. This investigation indicates that a support has important influence on the distribution of mechanical and electrical components rather than a cylinder with ignoring the effect of the supports. Obtained results using present method at regions that are adequate far from two ends of the cylinder can be compared with previous results (plane elasticity and one dimensional first order shear deformation theories).
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.2
no.2
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pp.46-55
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2001
A Green's function approach based on the laminate theory is adopted to obtain the unsteady temperature distributions in a semi-infinite hollow circular cylinder made of functionally graded materials (FGMs). The transient heat conduction equation based on the laminate theory is formulated into an eigenvalue problem for each layer by using the eigenfunction expansion theory and the separation of variables. The eigenvalues and the corresponding eigenfunctions obtained by solving an eigenvalue problem for each layer constitute the Green's function solution for analyzing the unsteady temperature distributions. Numerical calculations are carried out for the semi-infinite hollow circular FGM cylinder subjected to partially heated loads, and the numerical results are shown in figures.
Single- and multi-span orthotropic functionally graded hollow cylinders subjected to axisymmetrical bending are investigated on the basis of a unified shear deformable shell theory, in which the transverse displacement is expressed by means of a general shape function. To approach the through-thickness inhomogeneity of the hollow cylinder, a laminated model is employed. The shape function therefore shall be determined for each fictitious layer. To improve the computational efficiency, we resort to a transfer matrix method. Based on the principle of minimum potential energy, equilibrium equations are established, which are then solved analytically using the transfer matrix method for arbitrary boundary conditions. Numerical comparisons among a third-order shear deformable shell theory, an exact elastic theory and the present theory are provided for a simply supported hollow cylinder, from which the present theory turns out to be superior in stress estimation. Distributions of displacements and stresses in single- and three-span hollow cylinders with different boundary conditions are also illustrated in numerical examples.
A numerical method has been developed for studying the dynamics of a flexible cylinder in a coaxial cylindrical duct, immersed in inviscid flow. The unsteady inviscid fluid-dynamic force acting on the oscillating cylinder has been estimated more rigorously by means of a spectral collocation method without simplification of governing equations. This numerical approach is applicable to the system haying wider annular gap and/or shorter length of cylinder as compared to existing potential theory. The governing equation of the unsteady flow was obtained from Laplace equation. The equation of cylinder motion coupled with the fluid motion was discretized by Galerkin's method, from which the dynamic behaviour of the system has been evaluated. The effect of the length of the cylinder and the annular gap on the critical flour velocity, where the system loses stability by buckling, was investigated. To validate the numerical method, the potential flow theory developed by Hobson based on thin film approximation has been improved. Typical results of the present numerical theory on the dynamics and stability of the system are compared with those of available existing theory and the present approximate results. Good agreement was found between the results. It was also found that a nondimensional critical flow velocity becomes larger as increasing the annular gap and decreasing the length of cylinder.
In this paper the time-dependent creep analysis of a thick-walled FG cylinder with finite length subjected to axisymmetric mechanical and thermal loads are presented. First order shear deformation theory (FSDT) is used for description of displacement components. Inner and outer temperatures and outer pressure are considered as thermo-mechanical loadings. Both thermal and mechanical loadings are assumed variable along the axial direction using the sinusoidal distribution. To find temperature distribution, two dimensional heat transfer equation is solved using the required boundary conditions. The energy method and Euler equations are employed to reach final governing equations of the cylinder. After determination of elastic stresses and strains, the creep analysis can be performed based on the Yang method. The results of this research indicate that the boundaries have important effects on the responses of the cylinder. The effect of important parameters of this analysis such as variable loading, non-homogeneous index of functionally graded materials and time of creep is studied on the behaviors of the cylinder.
Experimental studies are conducted for the wave forces acting on the vertically mounted circular piles in the waves. Two-three-cylinder arrays are equally spaced and the spacings(S/D) as well as the incident angles of various waves are changed to study their separate effects on the wave forces. The numerical results based on the diffraction theory are in good agreement with the experimental results, and the diffraction theory well predicts the trend of the wave forces when the spacings and the incident angles are changed.
Two dimensional slow viscous flow between a rotating cylinder and a translating plate is investigated using Stokes' approximation. An exact formal expression of the stream function is obtained by using the bipolar cylinder coordinates and Fourier series expansion. From the stream function obtained, the streamline patterns are shown and the pressure distribution in the flow field is determined. By integrating the stress distributions on the cylinder, the farce and the moment exerted on the cylinder are calculated. The flow rate through the gap between the cylinder and the plate is also determined as a function of the distance between the cylinder and the plate. Special attention is directed to the case of very small distance between the cylinder and the plate concerned with the lubrication theory and the minimum pressure is calculated to explain a possible cavitation.
In this paper, the $2^{nd}$ order hydrodynamic force effect of heaving submerged circular cylinder is considered, with the linear potential theory. Boundary value problem (BVP) is expanded up to the $2^{nd}$ order by using of the perturbation method and the $2^{nd}$ order velocity potential is calculated by means of integral equation technique using the classical Green's function expressed in cylindrical coordinates. The method of solving BVP is based on eigenfunction expansions. With different cylinder heights and heaving frequencies, graphical results are presented. As a result of the study, the cause of oscillatory force pattern is analyzed with the occurrence of negative added mass when a top of the cylinder gets closer to the free surface.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.9
s.180
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pp.2302-2312
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2000
An active control of the transmission of noise through an aircraft fuselage is investigated numerically. A cylinder-cavity system was used as a model for this study. The fuselage is modeled as a fi nite, thin shel cylinder with constant thickness. The sound field generated by an exterior monopole source is transmitted into the cavity through the cylinder. Point force actuators on the cylinder are driven by error sensor that is placed in 3D cavity. Modal coupling theory is used to formulate the numerical models and describe the system behavior. Minimization of the acoustic potential energy in the fuselage is carried out as a performance index. Continuous parameter genetic algorithm is used to search the optimal actuator position and both results are compared.
In this research, a semi-analytical solution is presented for computing mechanical displacements and thermal stresses in rotating thick cylindrical pressure vessels made of functionally graded material (FGM). The modulus of elasticity, linear thermal expansion coefficient, and density of the cylinder are assumed to change along the axial direction as a power-law function. It is also assumed that Poisson's ratio and thermal conductivity are constant. This cylinder was subjected to non-uniform internal pressure and thermal loading. Thermal loading varies in two directions. The governing equations are derived by the first-order shear deformation theory (FSDT). Using the multilayer method, a functionally graded (FG) cylinder with variable thickness is divided into n homogenous disks, and n sets of differential equations are obtained. Applying the boundary conditions and continuity conditions between the layers, the solution of this set of equations is obtained. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out bi-directional thermoelastic analysis of clamped-clamped rotating FGM thick-walled cylindrical pressure vessels under variable pressure in the longitudinal direction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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