Pechstein, Astrid;Krommer, Michael;Humer, Alexander
Smart Structures and Systems
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v.30
no.3
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pp.221-237
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2022
This paper is concerned with nonlinear modeling and efficient numerical simulation of electrostrictive materials and structures. Two types of such materials are considered: relaxor ferroelectric ceramics and electrostrictive polymers. For ceramics, a geometrically linear formulation is developed, whereas polymers are studied in a geometrically nonlinear regime. In the paper, we focus on constitutive modeling first. For the reversible constitutive response under consideration, we introduce the augmented Helmholtz free energy, which is composed of a purely elastic part, a dielectric part and an augmentation term. For the elastic part, we involve an additive decomposition of the strain tensor into an elastic strain and an electrostrictive eigenstrain, which depends on the polarization of the material. In the geometrically nonlinear case, a corresponding multiplicative decomposition of the deformation gradient tensor replaces the additive strain decomposition used in the geometrically linear formulation. For the dielectric part, we first introduce the internal energy, to which a Legendre transformation is applied to compute the free energy. The augmentation term accounts for the contribution from vacuum to the energy. In our formulation, the augmented free energy depends not only on the strain and the electric field, but also on the polarization and an internal polarization; the latter two are internal variables. With the constitutive framework established, a Finite Element implementation is briefly discussed. We use high-order elements for the discretization of the independent variables, which include also the internal variables and, in case the material is assumed incompressible, the hydrostatic pressure, which is introduced as a Lagrange multiplier. The elements are implemented in the open source code Netgen/NGSolve. Finally, example problems are solved for both, relaxor ferroelectric ceramics and electrostrictive polymers. We focus on thin plate-type structures to show the efficiency of the numerical scheme and its applicability to thin electrostrictive structures.
The part of the work of plastic deformation of metal goes into the changes in the total surface free energy. This contribution is dependent on the specific surface free energy, which is affected by the environment. Based on thermodynamical approach, volume constancy requirement and adsorption induced two distinct dislocation interaction mechanisms for strengthening or weakening of metals at surface, theoretical derivation has been made to show that the environmental contribution on the strain hardening, the stress and the energy required for plastic deformation can be expressed in terms of solid surface tension in vacuum (${\gamma}$$_{s}$), interfacial tension (${\gamma}$$_{se}$ ), surface dislocation density ($\rho$$_{s}$), internal dislocation density ($\rho$$_{i}$) and fraction of surface site uncoverage (f). On the basis of theoretical derivation, the various mechanical behaviours under different environments are predicted.d.d.
Dehshahri, Kasra;Nejad, Mohammad Zamani;Ziaee, Sima;Niknejad, Abbas;Hadi, Amin
Advances in nano research
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v.8
no.2
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pp.115-134
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2020
In this paper, the free vibrations analysis of the nanoplates made of three-directional functionally graded material (TDFGM) with small scale effects is presented. To study the small-scale effects on natural frequency, modified strain gradient theory (MSGT) has been used. Material properties of the nanoplate follow an arbitrary function that changes in three directions along the length, width and thickness of the plate. The equilibrium equations and boundary conditions of nanoplate are obtained using the Hamilton's principle. The generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations and different boundary conditions for obtaining the natural frequency of nanoplate made of three-directional functionally graded material. The present model can be transformed into a couple stress plate model or a classic plate model if two or all parameters of the length scales set to zero. Finally, numerical results are presented to study the small-scale effect and heterogeneity constants and the aspect ratio with different boundary conditions on the free vibrations of nanoplates. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into MSGT for free vibration analysis of FGM nanoplate with arbitrary functions.
Photosynthetic conversion through cyanobacteria and microalgae is an increasingly serious concern in the global warming crisis. Many value-added substances are produced through strain improvement, and much research and development is being conducted to determine its potential as an actual industrial strain. Economic barriers throughout processing production can be overcome to produce value-added chemicals by microalgal strains. In this study, we engineered cyanobacteria strains for the photosynthetic production of squalene and confirmed the continuous cultivation of CO2 and light conditions. The free-inducer system of gene expression was developed at the cyanobacterial strains. Then, the squalene production level and growth of the recombinant cyanobacteria were analyzed and discussed. For bio solar-cell factories, the ability to regulate genes based on the free-inducer gene expression system promotes metabolic engineering research and construction to produce value-added chemicals.
Reactor containment buildings serve as the last barrier to prevent radioactive leakage due to accidents and their safety is crucial in overpressurization conditions. Thus, the Regulatory Guide (RG) 1.216 has mentioned the global strain as one of failure criteria in the free-field for cylindrical prestressed concrete containment vessels (PCCV) subject to internal pressure. However, there is a limit that RG 1.216 shows the free-field without the specific locations of failure criteria and also the global strain corresponding to only azimuth 135° has been mentioned in NUREG/CR-6685, regardless of the elevations of the structure. Therefore, in order to reevaluate the failure criteria of the 1:4 scaled PCCV, the high fidelity simulation model based on the experimental test was significantly validated in this study, and it was interesting to find that the experimental and numerical result was very close to each other. In addition, for the consideration of the material uncertainties, the Latin hypercube method was used as a statistical approach. Consequently, it was revealed that the radial displacements of various azimuth area such as 120°, 135°, 150°, 180° and 210° at elevations 4680 mm and 6,200 mm can represent as the global deformation at the free-field, obtained from the statistical approach.
Karami, Behrouz;Shahsavari, Davood;Janghorban, Maziar;Li, Li
Structural Engineering and Mechanics
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v.73
no.2
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pp.191-207
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2020
This study aims at investigating the size-dependent free vibration of porous nanoplates when exposed to hygrothermal environment and rested on Kerr foundation. Based on the modified power-law model, material properties of porous functionally graded (FG) nanoplates are supposed to change continuously along the thickness direction. The generalized nonlocal strain gradient elasticity theory incorporating three scale factors (i.e. lower- and higher-order nonlocal parameters, strain gradient length scale parameter), is employed to expand the assumption of second shear deformation theory (SSDT) for considering the small size effect on plates. The governing equations are obtained based on Hamilton's principle and then the equations are solved using an analytical method. The elastic Kerr foundation, as a highly effected foundation type, is adopted to capture the foundation effects. Three different patterns of porosity (namely, even, uneven and logarithmic-uneven porosities) are also considered to fill some gaps of porosity impact. A comparative study is given by using various structural models to show the effect of material composition, porosity distribution, temperature and moisture differences, size dependency and elastic Kerr foundation on the size-dependent free vibration of porous nanoplates. Results show a significant change in higher-order frequencies due to small scale parameters, which could be due to the size effect mechanisms. Furthermore, Porosities inside of the material properties often present a stiffness softening effect on the vibration frequency of FG nanoplates.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.7
no.6
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pp.117-125
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1998
The paper attempts to estimate the incubation time of a cavity in the interface between a power law creep particle and an elastic matrix subjected to a uniaxial stress. Since the power law creep particle is time dependent, the stresses in the interface relax. The volume free energy associated with Helmholtz free energy includes strain energies caused by applied stress and dislocations piled up in interface(DPI). The energy due to DPI is found by modifying the result of Dundurs and Mura[4]. The volume free energies caused by both applied stress and DPI are a function of the cavity size(r) and elapsed time(t) and arise from stress relaxation in the interface. Critical radius $r^*$ and incubation time $t^*$ to maximise Helmholtz free energy is found in present analysis. Also, kinetics of cavity formation are investigated using the results obtained by Riede [7]. The incubation time is defined in the analysis as the time required to satisfy both the thermodynamic and kinetic conditions. Through the analysis it is found that 1) strain energy caused by the applied stress does not contribute significantly to the thermodynamic and kinetic conditions of a cavity formation, 2) in order to satisfy both thermodynamic and kinetic conditions, critical radius $r^*$ decreases or holds constant with increase of the time until the kinetic condition(eq. 2.3) is satisfied. there for the cavity may not grow right after it is formed, as postulated by Harris [15], and Ishida and Mclean [16], 3) the effects of strain rate exponent (m), material constant $\sigma$0, volume fraction of the particle to matrix(f)and particle size on the incubation time are estimated using material constants of the copper as matrix.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.277-277
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2013
The epitaxial graphene on the 4H- or 6H-SiC(0001) surface has been intensively studied due to the possibility of wafer-scale growt. However the existence of interface layer (zero layer graphene) and its influence on the upper graphene layer have been considered as one of the main obstarcles for the industrial application. Among various methods tried to overcome the strong interaction with the substrate through the interface layer, it has been proved that the hydrogen intercalation successfully passivate the Si dangling bond of the substrate and can produce the quasi-free standing epitaxial graphene (QFEG) layers on the siC(0001) surface. In this study, we report the results of the angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and Raman spectroscopy for the QFEG layers produced by ex-situ and in-situ hydrogen intercalation.From the ARPES measurement, we confirmed that the Dirac points of QFEG layers exactly coincide with the Fermi level. The band structure of QFEG layer are sustainable upon thermal heating up to 1100 K and robust against the deposition of several metals andmolecular deposition. We also investigated the strain of the QFEG layers by using Raman spectroscopy measurement. From the change of the 2D peak position of graphene Raman spectrum, we found out that unlike the strong compressive strain in the normal epitaxial graphene on the SiC(0001) surface, the strain of the QFEG layer are significantly released and almost similar to that of the mechanically exfoliated graphene on the silicon oxide substrate. These results indicated that various ideas proposed for the ideal free-standing graphene can be tested based on the QFEG graphene layers grown on the SiC(0001) surface.
The free residual chlorine of tap water samples, collected from 266 faucets on the water pipe network in Daegu City, was between 0.1 and 0.79 mg/L. On microorganic tests, general bacteria and the coliform goup were not detected and thus the tap water was turned out to be fit to drink. In particular, samples of which free residual chlorine was 0.1 mg/L and over were cultured in R2A agar media at $25^{\circ}C$ for 7 days, and as a result heterotrophic bacteria were detected in 65.9% of samples; (1). The closer tap water got to the faucet from the stilling basin, the lower residual chlorine concentration became but the more the bacterial count became. And, more bacteria were detected in the R2A agar medium than in the PCA medium. (2). In the case of separated strains, most colonies were reddish or yellowish. 16S rRNA sequence was identified as Methylobacterium sp. and Williamsia sp., and yellow strain was identified as Sphingomonas sp., Sphingobium sp., Novosphingobium sp., Blastomonas sp., Rhodococcus sp. and Microbacterium sp. White strain was identified as Staphylococcus sp. (3). Sterilized tap water in polyethylene bottles was inoculated with separated strain and was left as it was for 2 months. As a result, bio-film was observed in tap water inoculated with Methylobacterium sp. and Sphingomonas sp. It was found that heterotrophic bacteria increased when free residual chlorine was removed from tap water in the water pipe network. Thus, there is a need to determine a base value for heterotrophic bacteria in order to check the cleanliness of tap water in the water pipe network.
A double-stranded RNA (dsRNA) mycovirus was detected in malformed fruiting bodies of Pleurotus ostreatus strain ASI2792, one of bottle cultivated commercial strains of the edible oyster mushroom. The partial RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) gene of the P. ostreatus ASI2792 mycovirus (PoV-ASI2792) was cloned, and a cDNA sequences alignment revealed that the sequence was identical to the RdRp gene of a known PoSV found in the P. ostreatus strain. To investigate the symptoms of PoV-ASI2792 infection by comparing the isogenic virus-free P. ostreatus strains with a virus-infected strain, isogenic virus-cured P. ostreatus strains were obtained by the mycelial fragmentation method for virus curing. The absence of virus was verified with gel electrophoresis after dsRNA-specific virus purification and Northern blot analysis using a partial RdRp cDNA of PoV-ASI2792. The growth rate and mycelial dry weight of virus-infected P. ostreatus strain with PoV-ASI2792 mycovirus were compared to those of three virus-free isogenic strains on 10 different media. The virus-cured strains showed distinctly higher mycelial growth rates and dry weights on all kinds of experimental culture media, with at least a 2.2-fold higher mycelial growth rate on mushroom complete media (MCM) and Hamada media, and a 2.7-fold higher mycelial dry weight on MCM and yeast-malt-glucose agar media than those of the virus-infected strain. These results suggest that the infection of PoV mycovirus has a deleterious effect on the vegetative growth of P. ostreatus.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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