Relative humidity, membrane conductivity and water activity are critical parameters of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) for high performance and reliability. These parameters are closely related with temperature. Moreover, the ideal values of these parameters are not always identical along the channels. Therefore, the cooling channel design and its operating condition should be well optimized along the all location of the channels. In the present study, we have performed a numerical investigation on the effects of cooling channels on performance of a PEMFC. Three-dimensional Navier-Stokes equations are solved with the energy equation including heat generated by the electrochemical reactions in the fuel cell. The present numerical model includes the gas diffusion layers (GDL) and serpentine channels for both anode and cathode gas flows, as well as cooling channels. To accurately predict the water transport across the membrane, the distribution of water content in the membrane is calculated by solving a nonlinear differential equation with a nonlinear coefficient, i.e., the water diffusivity which is a function of water content as well as temperature. Main emphasis is placed on the heat transfer between the solid bipolar plate and coolant flow. The present results show that local current density is affected by cooling channels due to the change of the oxygen concentration and the membrane conductivity as well as the water content. It is also found that the relative humidity is influenced by the generated water and the gas temperature and thus it affects the distribution of fuel concentration and the conductivity of the membrane, ultimately fuel cell performance. Unit-cell experiments are also carried out to validate the numerical models. The performance curves between the models and experiments show reasonable results.
The attitude motion of a spin-stabilized, upper-stage spacecraft is investigated based on a two-body model, consisting of a symmetric body, representing the spacecraft, and a spherical pendulum, representing the liquid slag pool entrapped in the aft section of the rocket motor. Exact time-varying nonlinear equations are derived and used to eliminate the drawbacks of conventional linear models. To study the stability of the spacecraft's attitude motion, both the spacecraft and pendulum are assumed to be in states of steady spin about the symmetry axis of the spacecraft and the coupled time-varying nonlinear equation of the pendulum is simplified. A quasi-stationary solution to that equation and approximate resonance conditions are determined in terms of the system parameters. The analysis shows that the pendulum is subject to a combination of parametric and external-type excitation by the main body and that energy from the excited pendulum is fed into the main body to develop the coning instability. In this paper, numerical examples are presented to explain the mechanism of the coning angle growth and how angular momenta and disturbance moments are generated.
The dynamic instability for snapping phenomena has been studied by many researchers. There is few paper which deal with the dynamic buckling under the load with periodic characteristics, and the behavior under periodic excitation is expected the different behavior against step excitation. In this study, the dynamic direct snapping of shallow elliptic paraboloidal shells is investigated under not only step excitation but also sinusoidal and seismic excitations, applied in the up-and-down direction. The dynamic nonlinear responses are obtained by the numerical integration of the geometrically nonlinear equations of motion, and examined by the Fourier spectral analysis in order to get the frequency-dependent characteristics of the dynamic instability for various load levels. The results show that the dynamic instability phenomenon carried out from stable to unstable region reveals considerably different mechanism depending on the characteristics of excitations.
The active earth pressure against a rigid retaining wall has been generally calculated using either Rankine's or Coulomb's formulation. Both assume that the distribution of active earth pressure exerted against the wall is triangular. However, many experimental results show that the distribution of the active earth pressure on a rigid rough wall is nonlinear. These results do not agree with the assumption used in both Rankine's and Coulomb's theories. The nonlinearity of the active earth pressure distribution results from arching effects in the backfill. Several researchers have attempted to estimate the active earth pressure on a rigid retaining wall, considering arching effect in the backfill. Their equations, however, have some limitations. In this paper, a new formulation for calculating the active earth pressure on a rough rigid retaining wall undergoing horizontal translation is proposed. It takes into account the arching effects that occur in the backfill.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.8
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pp.1083-1089
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2010
Shape memory alloys (SMAs) are smart materials. The unique characteristics of SMAs enable the production of large force and displacement. Hence, SMAs can be used in many applications such as in actuators and active structural acoustic controllers; the SMAs can also be used for dynamic tuning and shape control. A SMA torque tube actuator consisting of SMA tubes and superelastic springs is proposed, and the behaviors of the actuator are investigated. From the results of heat transfer analysis, it is proved that the SMA torque tube actuator with both resistive heating of SMA itself and a separate conventional heating rod in the tube core has good performance. The behavior of an actuator system was analyzed by performing a contact analysis, and the twisting motion was noticed when checking the actuation. 3D SMA nonlinear constitutive equations were formulated numerically and implemented by performing a nonlinear analysis by using Abaqus UMAT.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.2
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pp.39-48
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1990
For shallow circular arches with large dynamic loading, use of linear analysis is no longer considered as practical and accurate. In this study, a method is presented for the dynamic analysis of the shallow circular arches in which geometric nonlinearity is dominant. A program is developed for analysis of the nonlinear dynamic behavior and for evaluation of the critical buckling loads of the shallow circular arches. Geometric nonlinearity is modeled using Lagrangian description of the motion and finite element analysis procedure is used to solve the dynamic equations of motion in which Newmark method is adopted as a time marching scheme. A shallow circular arch subject to radial step load is analyzed and the results are compared with those from other researches to verify the developed program. The critical buckling loads of shallow arches are evaluated using the non-dimensional parameter. Also, the results are compared with those from linear analysis.
Lazzari, Bruna M.;Filho, Americo Campos;Lazzari, Paula M.;Pacheco, Alexandre R.
Computers and Concrete
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v.19
no.4
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pp.347-356
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2017
ANSYS is a software well accepted by professionals and academics, since it provides a variety of finite elements, material constitutive models, and linear and nonlinear analysis of structures in general. For the concrete material, for instance, the software uses an elastoplastic model with the Willam-Warnke surface of rupture (1975). However, this model is only available for finite elements that do not offer the possibility of use of the element-embedded model for rebars, demanding a much larger amount of elements to discretize structures, making numerical solutions less efficient. This study is, therefore, about the development of a computational model using the Finite Element Method via ANSYS platform for nonlinear analysis of reinforced and prestressed concrete beams under plane stress states. The most significant advantage of this implementation is the possibility of using the element-embedded rebar model in ANSYS with its 2D eight-node quadratic element PLANE183 for discretization of the concrete together with element REINF263 for discretization of rebars, stirrups, and cables, making the solutions faster and more efficient. For representation of the constitutive equations of the steel and the concrete, a proposed model was implemented with the help of the UPF customization tool (User Programmable Features) of ANSYS, where new subroutines written in FORTRAN were attached to the main program. The numerical results are compared with experimental values available in the technical literature to validate the proposed model, with satisfactory results being found.
The main goal of this research is to examine the in-plane and out-of-plane forced vibration of a curved nanocomposite microbeam. The in-plane and out-of-plane displacements of the structure are considered based on the first order shear deformation theory (FSDT). The curved microbeam is reinforced by functionally graded carbon nanotubes (FG-CNTs) and thus the extended rule of mixture is employed to estimate the effective material properties of the structure. Also, the small scale effect is captured using the strain gradient theory. The structure is rested on a nonlinear orthotropic viscoelastic foundation and is subjected to concentrated transverse harmonic external force, thermal and magnetic loads. The derivation of the governing equations is performed using energy method and Hamilton's principle. Differential quadrature (DQ) method along with integral quadrature (IQ) and Newmark methods are employed to solve the problem. The effect of various parameters such as volume fraction and distribution type of CNTs, boundary conditions, elastic foundation, temperature changes, material length scale parameters, magnetic field, central angle and width to thickness ratio are studied on the frequency and force responses of the structure. The results indicate that the highest frequency and lowest vibration amplitude belongs to FGX distribution type while the inverse condition is observed for FGO distribution type. In addition, the hardening-type response of the structure with FGX distribution type is more intense with respect to the other distribution types.
Park, Ji-Woong;Rhee, Doo-Jae;Chang, Suong-Su;Hu, Jong-Wan
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.3
no.3
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pp.9-21
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2012
Concrete filled steel tube (CFT) columns have been widely used in moment resisting frame structures both in seismic zones. This paper discusses the design of such members based on the advanced methods introduced in the 2005 AISC Specification and the 2005 Seismic Provisions. This study focuses particularly on design following both linear and nonlinear methods utilizing equivalent static and dynamic loads for low-rise moment frames. The paper begins with an examination of the significance of pseudo-elastic design interaction equations and the plastic ductility demand ratios due to combined axial compressive force and bending moment in CFT members. Based on advanced computational simulations for a series of five-story composite moment frames, this paper then investigates both building performance and new techniques to evaluate building damage during a strong earthquake. It is shown that 2D equivalent static analyses can provide good design approximations to the force distributions in moment frames subjected to large inelastic lateral loads. Dynamic analyses utilizing strong ground motions generally produce higher strength ratios than those from equivalent static analyses, but on more localized basis. In addition, ductility ratios obtained from the nonlinear dynamic analysis are sufficient to detect which CFT columns undergo significant deformations.
Han, Taek Hee;Youm, Eung Jun;Han, Sang Yun;Kang, Young Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.1
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pp.43-52
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2007
There is a growing range of applications for concrete-filled steel tube (CFT) member because of its superior performance. But a CFT member may be uneconomical or has weight problems because it is fully filled with concrete. In this study, a new type of member, called internally confined hollow (ICH) CFT member, was developed to solve the high cost and weight problems of the CFT member. To determine stress-strain model of the concrete in an ICH CFT column, possible failure modes of an ICH CFT column were suggested and confining pressure was derived from equilibriums for each failure mode. From the derived equations, a computer program was coded and parametric studies were performed for some examples. Analytical results showed that internally confined concrete has enhanced strength and ductility compared with those of unconfined or biaxially confined concrete.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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