The Micro circular diaphragm (MCD) is the mechanical actuator part used in the micro electro-mechanical sensors (MEMS) that combine electrical and mechanical components. These actuators are working under harsh mechanical and thermal conditions, so it is very important to study the mechanical and thermal behaviors of these actuators, in order to do with its function successfully. The objective of this paper is to determine the thermo-mechanical behavior of MCD by developing the traditional bulge test technique to achieve the aims of this work. The specimen is first pre-stressed to ensure that is no initial deflection before applied the loads on diaphragm and then clamped between two plates, a differential pressure (P) and temperature ($T_b$) is leading to a deformation of the MCD. Analytical formulation of developed bulge test technique for MCD thermo-mechanical characterization was established with taking in-to account effect of the residual strength from pre-stressed loading. These makes the plane-strain bulge test ideal for studying the mechanical and thermal behavior of diaphragm in both the elastic and plastic regimes. The differential specimen thickness due to bulge effect to describe the mechanical behavior, and the temperature effect on the MCD material properties to study the thermal behavior under deformation were discussed. A finite element model (FEM) can be extended to apply for investigating the reliability of the proposed bulge test of MCD and compare between the FEM results and another one from analytical calculus. The results show that, the good convergence between the finite element model and analytical model.
Macroscopic hot spots formed due to the large thermal gradients at the surface of the disc brake rotor, make the rotor to fail or wear out early. Thermo-elastic deformation results in contact concentration, leading to the non uniform distribution of temperature making the disc susceptible to hot spot formation. The formation of one hot spot event will predispose the system to future hot spotting at the same location. This leads to the complete thermo-elastic instability in the disc brakes; multitude parameters are responsible for the thermo elastic instability. The predominant factor is the sliding velocity and above a certain sliding velocity the instability of the brake system occurs and hot spots is formed in the surface of the disc brake. Commercial finite element package ABAQUS(R) is used to find the temperature distribution and the result is validated using Rowson's analytical model. A coupled analysis methodology is evolved for the automotive disc brake from the transient thermo-elastic contact analysis. Temperature variation is studied under different sliding speeds within the operation range.
A new analytical buckling solution of a thermo-electro-magneto-elastic (TEME) cylindrical nano-shell made of BiTiO3-CoFe2O4 materials is obtained based on Hamiltonian approach. The Winkler and Pasternak elastic foundations as well as thermo-electro-magneto-mechanical loadings are applied, and two different types of edge conditions are taken into the investigation. According to nonlocal strain gradient theory (NSGT) and surface elasticity theory in conjunction with the Kirchhoff-Love theory, governing equations of the nano-shell are acquired, and the buckling bifurcation condition is obtained by adopting the Navier's method. The detailed parameter study is conducted to investigate the effects of axial and circumferential wave numbers, scale parameters, elastic foundations, edge conditions and thermo-electro-magnetic loadings on the buckling behavior of the nano-shell. The proposed model can be applied in design and analysis of TEME nano components with multi-field coupled behavior, multiple edge conditions and scale effect.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.34
no.11
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pp.26-34
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2006
The thermo-mechanical analysis and test were performed for plate structure under mechanical and thermal loading conditions. Infrared heating system and hydraulic loading system were used to simulate mechanical and thermal environment for the plate structure which is similar to the fin of the airframe. Also, FEM analysis using plastic option was added to evaluate thermo-mechanical behavior. Thermo-mechanical tests were conducted at elevated temperature and rapid heating(10℃/sec) condition with external loading together. To investigate the effect of heating environment, the strength at room temperature was compared with that of elevated temperature and rapid heating condition. A methodology for test and analysis for supersonic vehicle subjected to aerodynamic loading and heating was generated through the study. These experimental and analysis results can be used for designing thermal resistance structures of the supersonic vehicle.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.1061-1064
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2006
Optimal design of functionally graded plates is investigated considering stress and critical temperature. Material properties are assumed to be temperature dependent and varied continuously in the thickness direction. The effective material properties are obtained by applying linear rule of mixtures. The 3-D finite element model is adopted using an 18-node solid element to analyze more accurately the variation of material properties and temperature field in the thickness direction. For stress analysis, the tensile stress ratio and compressive stress ratio of the structure under mechanical load are investigated. In the thermo-mechanical buckling analysis, temperature at each node is obtained by solving the steady-state heat transfer problem and Newton-Raphson method is used for material nonlinear analysis. Finally, the optimal design of FGM plates is studied for stress reduction and improving thermo-mechanical buckling behavior, simultaneously.
Amir, Saeed;Khani, Mehdi;Shajari, Ali Reza;Dashti, Pedram
Structural Engineering and Mechanics
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v.63
no.2
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pp.171-180
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2017
Static and dynamic instability of a viscoelastic carbon nanotube (CNT) embedded on a thermo-elastic foundation are investigated, in this research. The CNT is modeled based on Euler-Bernoulli beam (EBB) and nonlocal small scale elasticity theory is utilized to analyze the structure. Governing equations of the system are derived using Hamilton's principle and differential quadrature (DQ) method is applied to solve the partial differential equations. The effects of variable axial load and diverse boundary conditions on static/vibration instability are studied. To verify the result of the DQ method, the Galerkin weighted residual approach is used for the instability analysis. It is observed appropriate agreement for results of two different solution methods and satisfactory accuracy with those obtained in prior studies. The results of this work could be useful for engineers and designers in order to produce and design nano/micro structures in thermo-elastic medium.
This paper proposes a new finite element formulation based on enhanced first-order shear deformation theory including the transverse normal strain effect via the mixed formulation (EFSDTM-TN) for the effective thermo-mechanical analysis of laminated composite structures. The main objective of the EFSDTM-TN is to provide an accurate and efficient solution in describing the thermo-mechanical behavior of laminated composite structures by systematically establishing the relationship between two independent fields (displacement and transverse stress fields) via the mixed formulation. Another key feature is to consider the thermal strain effect without additional unknown variables by introducing a refined transverse displacement field. In the finite element formulation, an eight-node isoparametric plate element is newly developed to implement the advantage of the EFSDTM-TN. Numerical solutions for the thermo-mechanical behavior of laminated composite structures are compared with those available in the open literature to demonstrate the numerical performance of the proposed finite element model.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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1999.08a
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pp.231-235
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1999
An integrated finite element-based model is presented for the prediction of the three dimensional, transient thermo-mechanical behavior of the work roll in hot strip rolling. The model is comprised of basic finite element models which are incorporated into an iterative solution procedure to deal with the interdependence between the thermo-mechanical behavior of the strip and that of work roll, which arises from roll-strip contact, as well as with the interdependence between the thermal and mechanical behavior. Demonstrated is the capability of the model to reveal the detailed aspects of the thermo-mechanical behavior and to reflect the effect of various process parameters.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2008.10a
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pp.218-221
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2008
Hot Press Forming (HPF), an advanced sheet forming method in which a high strength part can be produced by forming at high temperature and rapid cooling in dies, is one of the most successful forming process in producing components with complex geometric shape, high strength and a minimum of springback. In order to obtain effectively and accurately numerical finite element simulations of the actual HPF process, the flow stress of a boron steel in the austenitic state at elevated temperatures has been investigated with Gleeble system. To evaluate the formability of the thermo- mechanical material characteristics in the HPF process, the FLDo defined at the lowest point in the forming limit diagrams of a boron steel has been investigated. In addition, the simulation results of thermo-mechanical coupled analysis of an automobile one-piece lower-arm part are compared with the experimental ones to confirm the validity of the proposed simulations.
In this paper, a novel higher-order shear deformation theory (HSDT) is proposed for the analysis of the hygro-thermo-mechanical behavior of functionally graded (FG) plates resting on elastic foundations. The developed model uses a novel kinematic by considering undetermined integral terms and only four variables are used in this model. The governing equations are deduced based on the principle of virtual work and the number of unknown functions involved is reduced to only four, which is less than the first shear deformation theory (FSDT) and others HSDTs. The Navier-type exact solutions for static analysis of simply supported FG plates subjected to hygro-thermo-mechanical loads are presented. The accuracy and efficiency of the present model is validated by comparing it with various available solutions in the literature. The influences of material properties, temperature, moisture, plate aspect ratio, side-to-thickness ratios and elastic coefficients parameters on deflections and stresses of FG plates are also investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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