In this paper, a nonlinear numerical method to solve the large deflection problem is introduced. And the non-dimensional load-deflection behavior of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) plates is parametrically investigated. The large deflection problem is formulated according to the von Kármán nonlinear theory and the (1,1,0)* hierarchical model, and it is approximated by 2-D natural element method (NEM). The shear locking phenomenon is suppressed by the selectively reduced integration method. The nonlinear matrix equations are solved by combining the incremental loading scheme and the Newton-Raphson iteration method. The proposed method is validated from the benchmark experiments, where the propose method shows an excellent agreement with the reference methods. The nonlinear behavior of FG-CNTRC plates is evaluated in terms of the non-dimensional load-deflection curve, and it is parametrically investigated with respect to the existence/non-existence and gradient pattern of CNTs, the width-to-thickness and aspect ratios of plates and the type of boundary conditions. The non-dimensional central deflection is significantly reduced when CNTs and added, and it decreases with the volume fraction of CNTs. But, it shows a uniform increase in proportion to the width-to-thickness and aspect ratios. Both the gradient pattern of CNTs and the type of boundary conditions do also show the remarkable effects.
Mohamed A. Eltaher;A.A. Daikh;Amin Hamdi;Gamal S. Abdelhaffez; Azza M. Abdraboh
Advances in nano research
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v.17
no.4
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pp.335-350
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2024
This paper investigates the mechanical behavior of a new type of functionally graded graphene-reinforced nanocomposite (FG-GRNC) doubly-curved laminated shells, referred to as cosine FG-GRNC. The study employs a refined higher-order shear deformation shell theory combined with a modified continuum nonlocal strain gradient theory. The effective Young's modulus of the GRNC shell in the thickness direction is determined using the modified Halpin-Tsai model, while Poisson's ratio and mass density are calculated using the rule of mixtures. The analysis includes two graphene-reinforced distribution patterns-FG-A CNRCs and FG-B CNRCs-along with uniform UD CNRCs. An enhanced Galerkin method is used to solve the governing equilibrium equations for the GRNC nanoshell, yielding closed-form solutions for bending deflection and critical buckling loads. The nanoshell is supported by an orthotropic elastic foundation characterized by three parameters. A detailed parametric analysis is performed to evaluate how factors such as the length scale parameter, nonlocal parameter, distribution pattern, GPL weight fraction, shell thickness, and shell geometry influence deflections and critical buckling loads.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.06a
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pp.1630-1635
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2005
The microstructure of the parts made by the microcellular injection molding process influence properties, including impact strength, tensile strength and density of material. Microstructure of microcellular plastics is divided into core foaming region and solid skin region. Core foaming region is influenced by pressure drop rate, viscosity and cell coalescence. However, actual mechanism of the skin layers is not known despite its importance. The study on the skin layer is getting important because foaming rate of the plastics is determined by the thickness ratio of the skin layer. Especially in case of large molded part, control of the skin layer is needed because skin layer thickness is changed largely. Therefore it is necessary to study variation in skin layer thickness with processing parameters. In this paper, the influence of temperatures in the mold cavity on the skin layer s thickness was also addressed. In addition, the relationship between the temperature distributions across cavity of the mold with impact strength on parts made with the microcellular injection molding process was addressed. In addition, the method to predict the variation in skin layer thickness with mold temperature is discussed.
This article presents strain gradient elasticity-based procedures for static bending, free vibration and buckling analyses of functionally graded rectangular micro-plates. The developed method allows consideration of smooth spatial variations of length scale parameters of strain gradient elasticity. Governing partial differential equations and boundary conditions are derived by following the variational approach and applying Hamilton's principle. Displacement field is expressed in a unified way to produce numerical results in accordance with Kirchhoff, Mindlin, and third order shear deformation theories. All material properties, including the length scale parameters, are assumed to be functions of the plate thickness coordinate in the derivations. Developed equations are solved numerically by means of differential quadrature method. Proposed procedures are verified through comparisons made to the results available in the literature for certain limiting cases. Further numerical results are provided to illustrate the effects of material and geometric parameters on bending, free vibrations, and buckling. The results generated by Kirchhoff and third order shear deformation theories are in very good agreement, whereas Mindlin plate theory slightly overestimates static deflection and underestimates natural frequency. A rise in the length scale parameter ratio, which identifies the degree of spatial variations, leads to a drop in dimensionless maximum deflection, and increases in dimensionless vibration frequency and buckling load. Size effect is shown to play a more significant role as the plate thickness becomes smaller compared to the length scale parameter. Numerical results indicate that consideration of length scale parameter variation is required for accurate modelling of graded rectangular micro-plates.
The effect of the application of lanthanum strontrium manganite and yttria-stabilized zirconia (LSM-YSZ) nano-composite fabricated by pulsed laser deposition (PLD) as a cathode of solid oxide fuel cell (SOFC) is studied. A gradient-structure thin-film cathode composed of 1 micron-thick LSM-YSZ deposited at an ambient pressure ($P_{amb}$) of 200 mTorr; 2 micron-thick LSM-YSZ deposited at a $P_{amb}$ of 300 mTorr; and 2 micron-thick lanthanum strontium cobaltite (LSC) current collecting layer was fabricated on an anode-supported SOFC with an ~8 micron-thick YSZ electrolyte. In comparison with a 1 micron-thick nano-structure single-phase LSM cathode fabricated by PLD, it was obviously effective to increase triple phase boundaries (TPB) over the whole thickness of the cathode layer by employing the composite and increasing the physical thickness of the cathode. Both polarization and ohmic resistances of the cell were significantly reduced and the power output of the cell was improved by a factor of 1.6.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.1
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pp.1-12
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2009
Surrogate modeling is applied to a compressor blade shape optimization to modify its stacking line and thickness to enhance adiabatic efficiency and total pressure ratio. Six design variables are defined by parametric curves and three objectives; efficiency, total pressure and a combined objective of efficiency and total pressure are considered to enhance the performance of compressor blade. Latin hypercube sampling of design of experiments is used to generate 55 designs within design space constituted by the lower and upper limits of variables. Optimum designs are found by formulating a PRESS (predicted error sum of squares) based averaging (PBA) surrogate model with the help of a gradient based optimization algorithm. The optimum designs using the current variables show that, to optimize the performance of turbomachinery blade, the adiabatic efficiency objective is improved substantially while total pressure ratio objective is increased a very small amount. The multi-objective optimization shows that the efficiency can be increased with the less compensation of total pressure reduction or both objectives can be increased simultaneously.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.05a
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pp.155-158
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2002
Fabrication process of metal/intermetallic laminated composites by using self-propagating high temperature synthesis(SHS) reactions between Ni and Al elemental metal foils have been investigated. Al foils were sandwiched between Ni foils and heated in a vacuum hot press to the melting point of aluminium. SHS reaction kinetics was thermodynamically analyzed through the final volume fraction of the unreacted Al related with the initial thickness ratio of Ni:Al and diffusion bonding stage before SHS reaction. Thermal aging of laminated composites resulted in the formation of functionally gradient series of intermetallic phases. Microstructure showed that the main phases of intermetallics were NiAl and $Ni_3Al$ having higher strength at room and high temperatures. The volume fractions of intermetallic phases were measured as 82.4, 58.6, 38.4% in 1:1, 2:1, 4:1 initial thickness ratio of Ni:Al.
Thermal buckling of functionally graded sandwich cylindrical shells is presented in this study. Material properties and thermal expansion coefficient of FGM layers are assumed to vary continuously through the thickness according to a sigmoid function and simple power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. Equilibrium and stability equations of FGM sandwich cylindrical shells with simply supported boundary conditions are derived according to the Donnell theory. The influences of cylindrical shell geometry and the gradient index on the critical buckling temperature of several kinds of FGM sandwich cylindrical shells are investigated. The thermal loads are assumed to be uniform, linear and nonlinear distribution across the thickness direction. An exact simple form of nonlinear temperature rise through its thickness taking into account the thermal conductivity and the inhomogeneity parameter is presented.
In this article, a four-variable refined plate theory is presented for buckling analysis of functionally graded plates subjected to uniform, linear and non-linear temperature rises across the thickness direction. The theory accounts for parabolic distribution of the transverse shear strains, and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the plate without using shear correction factor. Young's modulus and Poisson ratio of the FGM plates are assumed to remain constant throughout the entire plate. However, the coefficient of thermal expansion of the FGM plate varies according to a power law form through the thickness coordinate. Equilibrium and stability equations are derived based on the present theory. The influences of many plate parameters on buckling temperature difference such ratio of thermal expansion, aspect ratio, side-to-thickness ratio and gradient index will be investigated.
In this study, the supersonic panel flutter of doubly curved composite sandwich panels with variable thickness is considered under aerothermoelastic loading. Considering different radii of curvatures of the face sheets in this paper, the thickness of the core is a function of plane coordinates (x,y), which is unique. For the first time in the current model, the continuity conditions of the transverse shear stress, transverse normal stress and transverse normal stress gradient at the layer interfaces, as well as the conditions of zero transverse shear stresses on the upper and lower surfaces of the sandwich panel are satisfied. The formulation is based on an enhanced higher order sandwich panel theory and the vertical displacement component of the face sheets is assumed as a quadratic one, while a cubic pattern is used for the in-plane displacement components of the face sheets and the all displacement components of the core. The formulation is based on the von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ nonlinear approximation, the one-dimensional Fourier equation of the heat conduction along the thickness direction, and the first-order piston theory. The equations of motion and boundary conditions are derived using the Hamilton principle and the results are validated by the latest results published in the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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