In this present paper, a semi-analytical mesh-free method is employed for the three-dimensional free vibration analysis of a bi-directional functionally graded piezoelectric circular structure. The dependent variables have been expanded by Fourier series with respect to the circumferential direction and have been discretized through radial and axial directions based on the mesh-free shape function. The current approach has a distinct advantage. The nonlinear Green-Lagrange strain is employed as the relationship between strain and displacement fields to observe thermal impacts in stiffness matrices. Nevertheless, high order terms have been neglected at the final steps of equations driving. The material properties are assumed to vary continuously in both radial and axial directions simultaneously in accordance with a power law distribution. The convergence and validation studies are conducted by comparing our proposed solution with available published results to investigate the accuracy and efficiency of our approach. After the validation study, a parametric study is undertaken to investigate the temperature effects, different types of polarization, mechanical and electric boundary conditions and geometry parameters of structures on the natural frequencies of functionally graded piezoelectric circular structures.
Ebrahimi, Farzad;Hosseini, S. Hamed S.;Selvamani, Rajendran
Structural Engineering and Mechanics
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v.73
no.5
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pp.565-584
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2020
The nonlinear thermo-electro-elastic buckling behavior of viscoelastic nanoplates under magnetic field is investigated based on nonlocal elasticity theory. Employing nonlinear strain-displacement relations, the geometrical nonlinearity is modeled while governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi-analytical generalized differential quadrature (GDQ) method. Eringen's nonlocal elasticity theory considers the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nano-sensors and nano actuators. Based on Kelvin-Voigt model, the influence of the viscoelastic coefficient is also discussed. It is demonstrated that the GDQ method has high precision and computational efficiency in the buckling analysis of viscoelastic nanoplates. The good agreement between the results of this article and those available in literature validated the presented approach. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as electric voltage, small scale effects, elastomeric medium, magnetic field, temperature effects, the viscidity and aspect ratio of the nanoplate on its nonlinear buckling characteristics. It is explicitly shown that the thermo-electro-elastic nonlinear buckling behavior of viscoelastic nanoplates is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of viscoelastic nanoplates as fundamental elements in nanoelectromechanical systems.
In this study, two novel Schiff base compounds including (3-(4-Chlorophenyl isoxazole-5-yl) methanol and (3-(2,4 dichlorophenol isoxazole-5-yl) methanol as corrosion inhibitors for mild steel in 1 M hydrochloric acid solution were investigated by potentiodynamic polarization, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and density functional theory (DFT) computations. The results showed that the corrosion inhibition efficiency (IE) is remarkably enhanced with the growing concentration of the Schiff base inhibitors. The results from Tafel polarization and EIS methods showed that IE decreases with gradual increments of temperature. This process can be attributed to the displacement of the adsorption/desorption balance and hence to the diminution of the level of a surface coating. Also, the adsorption of two inhibitors over mild steel followed the Langmuir adsorption isotherm. Too, the results of the scanning electron microscope (SEM) images showed that the Schiff base inhibitors form an excellent protective film over mild steel and verified the results by electrochemical techniques. Additionally, the results from the experimental and those from DFT computations are in excellent accordance.
Composite Lightweight (CL) insulated walls have gained wide adoption recently because the exterior claddings of steel building frames have their cost effectiveness, good thermal and structural efficiency. To investigate the seismic behavior, lateral stiffness, ductility and energy dissipation of steel frames with the CL infill walls, five one-story one-bay steel frames were fabricated and tested under cyclic loads. Test results showed that the bolted connections allow relative movement between CL infill walls and steel frames, enabling the system to exhibit satisfactory performance under lateral loads. Additionally, it is found that the addition of diagonal steel straps to the CL infill wall significantly increases the initial lateral stiffness, load-carrying capacity, ductility and energy dissipation capacity of the system. Furthermore, the test results indicate that the lateral stiffness values of the frames with the CL infill wall are similar to those of the bare steel frames in large lateral displacement.
Multi-scale model can take both computational efficiency and accuracy into consideration when it is used to conduct elasto-plastic seismic response analysis for complex steel bridges. This paper proposed a method based on pushover analysis of member sharing the same section pattern to verify the accuracy of multi-scale model. A deck-through type steel arch bridge with a span length of 200m was employed for seismic response analysis using multi-scale model and fiber model respectively, the validity and necessity of elasto-plastic seismic analysis for steel bridge by multi-scale model was then verified. The results show that the convergence of load-displacement curves obtained from pushover analysis for members having the same section pattern can be used as a proof of the accuracy of multi-scale model. It is noted that the computational precision of multi-scale model can be guaranteed when length of shell element segment is 1.40 times longer than the width of section where was in compression status. Fiber model can only be used for the predictions of the global deformations and the approximate positions of plastic areas on steel structures. However, it cannot give exact prediction on the distribution of plastic areas and the degree of the plasticity.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.18
no.5
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pp.434-442
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2006
In a two-stage compression $CO_2$ transcritical cycle, application of a scroll expander-compressor unit has been considered in order to improve the cycle COP. For both expander and 1st stage compressor, scroll wrap profile which was originally designed for a R410A air-conditioning cycle mechanism was used with minor modifications: wrap height and involute end angle were adjusted for required displacement volume and built-in volume ratio. For pressure condition of 10 Mpa/3.5 MPa and expander inlet temperature of $35^{\circ}C$, 25% improvement in COP was obtained by using expander-compressor unit. As evaporator pressure increased, COP improvement was lowered mainly due to decreasing compressor peformance.
In this present paper, a new two dimensional (2D) and quasi three dimensional (quasi-3D) nonlocal shear deformation theories are formulated for free vibration analysis of size-dependent functionally graded (FG) nanoplates. The developed theories is based on new description of displacement field which includes undetermined integral terms, the issues in using this new proposition are to reduce the number of unknowns and governing equations and exploring the effects of both thickness stretching and size-dependency on free vibration analysis of functionally graded (FG) nanoplates. The nonlocal elasticity theory of Eringen is adopted to study the size effects of FG nanoplates. Governing equations are derived from Hamilton's principle. By using Navier's method, analytical solutions for free vibration analysis are obtained through the results of eigenvalue problem. Several numerical examples are presented and compared with those predicted by other theories, to demonstrate the accuracy and efficiency of developed theories and to investigate the size effects on predicting fundamental frequencies of size-dependent functionally graded (FG) nanoplates.
In this paper, the buckling of micro sandwich hollow circular plate is investigated with the consideration of the porous core and piezoelectric layer reinforced by functionally graded (FG)carbon nano-tube. For modeling the displacement field of sandwich hollow circular plate, the high-order shear deformation theory (HSDT) of plate and modified couple stress theory (MCST) are used. The governing differential equations of the system can be derived using the principle of minimum potential energy and Maxwell's equation that for solving these equations, the Ritz method is employed. The results of this research indicate the influence of various parameters such as porous coefficients, small length scale parameter, distribution of carbon nano-tube in piezoelectric layers and temperature on critical buckling load. The purpose of this research is to show the effect of physical parameters on the critical buckling load of micro sandwich plate and then optimize these parameters to design structures with the best efficiency. The results of this research can be used for optimization of micro-structures and manufacturing different structure in aircraft and aerospace.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.23
no.6_2
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pp.999-1006
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2020
This study was conducted to develop an efficiency prediction program of a hydraulic secondary energy converter for calculating annual power generation of a Wavestar type wave power generator. Using the period and wave height obtained from the frequency domain analysis, the behavior of the floating body was obtained by assuming the sin function. The piston displacement and speed of the hydraulic cylinder were calculated considering the behavior of the floating body and the shape of the mechanism. The numerical simulation of the hydraulic system was performed by physically modeling the hydraulic cylinders, check valves, hydraulic motors, which are the main devices. In the future, this analysis program will be used to develop a program for estimating annual power generation of a moveable body type wave power generation device.
The optimum design of truss structures is one of the significant categories in structural optimization that has widely been applied by researchers. In the present study, new mathematical programming called Consistent Approximation (CONAP) method is utilized for the simultaneous optimization of the size and shape of truss structures. The CONAP algorithm has already been introduced to optimize some structures and functions. In the CONAP algorithm, some important parameters are designed by employing design sensitivities to enhance the capability of the method and its consistency in various optimum design problems, especially structural optimization. The cross-sectional area of the bar elements and the nodal coordinates of the truss are assumed to be the size and shape design variables, respectively. The displacement, allowable stress and the Euler buckling stress are taken as the design constraints for the problem. In the proposed method, the primary optimization problem is replaced with a sequence of explicit sub-problems. Each sub-problem is efficiently solved using the sequential quadratic programming (SQP) algorithm. Several truss structures are designed by employing the CONAP method to illustrate the efficiency of the algorithm for simultaneous shape and size optimization. The optimal solutions are compared with some of the mathematical programming algorithms, the approximation methods and metaheuristic algorithms those reported in the literature. Results demonstrate that the accuracy of the optimization is improved and the convergence rate speeds up.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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