In this paper thermo-mechanical vibration analysis of a porous functionally graded (FG) Timoshenko beam in thermal environment with various boundary conditions are performed by employing a semi analytical differential transform method (DTM) and presenting a Navier type solution method for the first time. The temperature-dependent material properties of FG beam are supposed to vary through thickness direction of the constituents according to the power-law distribution which is modified to approximate the material properties with the porosity phases. Also the porous material properties vary through the thickness of the beam with even and uneven distribution. Two types of thermal loadings, namely, uniform and linear temperature rises through thickness direction are considered. Derivation of equations is based on the Timoshenko beam theory in order to consider the effect of both shear deformation and rotary inertia. Hamilton's principle is applied to obtain the governing differential equation of motion and boundary conditions. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of several parameters such as porosity distributions, porosity volume fraction, thermal effect, boundary conditions and power-low exponent on the natural frequencies of the FG beams in detail. It is explicitly shown that the vibration behavior of porous FG beams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve benchmarks for future analyses of FG beams with porosity phases.
Seong-Hoon Jeong;Ehsan Mansouri;Nadia Ralston;Jong-Wan Hu
Steel and Composite Structures
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v.51
no.2
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pp.127-138
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2024
In this paper, structural behavior under fire conditions is comprehensively examined, and a novel software interface for testing interfaces efficiently is developed and validated. In order to accurately assess the response of structures to fire scenarios, advanced simulation techniques and modeling approaches are incorporated into the study. This interface enables accurate heat transfer analysis and thermo-mechanical simulations by integrating software tools such as CSI ETABS, CSI SAP2000, and OpenSees. Heat transfer models can be automatically generated, simulation outputs processed, and structural responses interpreted under a variety of fire scenarios using the proposed technique. As a result of rigorous testing and validation against established methods, including Cardington tests on scales and hybrid simulation approaches, the software interface has been proven to be effective and accurate. The analysis process is streamlined by this interface, providing engineers and researchers with a robust tool for assessing structural performance under fire conditions.
Kim, Dong-Hee;Kim, Chi-Won;Jung, Hye-Mi;Lee, Ju;Um, Suk-Kee
Proceedings of the KIEE Conference
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2011.07a
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pp.788-789
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2011
A comprehensive thermo-electromagnetic model has been developed to estimate temperature and electromagnetic distribution in an three-phase induction motor under steady state operation. Electromagnetic modeling enables us to predict thermal dissipation rates by eddy-current loss and copper loss in induction motors. Non-uniform temperature distributions are investigated to account for the strong effect of local temperature build-up on the motor performance and expected life-span. For more accurate thermal modeling purpose, Heat loss mapping method, which is matched up with electromagnetic losses and volumetric heat source, is developed and performed analysis. Heat loss mapping method can be greatly used as a design or diagnostic tool for three-phase induction motors with complex structural electromagnetic fields.
This paper is concerned with thermo-mechanical vibration behavior of flexoelectric/piezoelectric nanobeams under uniform and linear temperature distributions. Flexoelectric/piezoelectric nanobeams have higher natural frequencies compared to conventional piezoelectric ones, especially at lower thicknesses. Both nonlocal and surface effects are considered in the analysis of flexoelectric/piezoelectric nanobeams for the first time. Hamilton's principle is employed to derive the governing equations and the related boundary conditions which are solved applying a Galerkin-based solution. Comparison study is also performed to verify the present formulation with those of previous data. Numerical results are presented to investigate the influences of the flexoelectricity, nonlocal parameter, surface elasticity, temperature rise, beam thickness and various boundary conditions on the vibration frequencies of thermally affected flexoelectric/piezoelectric nanobeam.
Oh, Se Yun;Kim, Tae Jin;Cho, Jong Rae;Jeong, Ho Sung
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.39
no.4
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pp.447-451
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2015
The objective of this study is to predict the structural characteristics of a heat exchanger mounted on an aircraft engine using finite element analysis. The plastic fracture and life of the heat exchanger were estimated by a thermo-mechanical analysis. Tensile tests were conducted under high temperature conditions (700, 800, 900, 1000 K) using five specimens to obtain the mechanical properties of the Inconel 625 tubes. To assess the structural characteristics of the heat exchanger, the full and partial models were applied under the operating conditions given by the thermo-mechanical and inertial load. As a result, the case, tubesheet, flange, and mounting components have a reasonable safety margin to the allowable stress assuming a fatigue strength of Inconel 625 of 10000 cycles under 1000 K.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.10
no.4
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pp.313-327
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2008
Thermo-mechanical coupled behavior of an underground structure during a fire accident have not been fully understood yet. Moreover, when such a thermo-mechanical coupled behavior is not considered in numerical analyses based on conventional heat transfer theory, fire-induced damage zone in an underground structure can be considerably underestimated. This study aims to develop a FEM-based numerical technique to simulate the thermo-mechanical coupled behavior of an underground structure in a fire accident. Especially, an element elimination model is newly proposed to simulate fire-induced structural loss together with a convective boundary condition. In the proposed model, an element where the maximum temperature calculated from heat transfer analysis is over a prescribed critical temperature is eliminated. Then, the proposed numerical technique is verified by comparing numerical results with experimental results from real fire model tests. From a series of parametric studies, the key parameters such as critical temperature, element size and temperature-dependent convection coefficients are optimized for the RABT and the RWS fire scenarios.
Components manufactured from composite materials are frequently subjected to superimposed mechanical and thermal loadings during their operating service. Both types of loadings may cause fracture and failure of composite structures. When composite cross-ply laminates of type [$0_m/90_n]_s$ are subjected to uni-axial tensile loading, different types of damage are set-up and developed such as matrix cracking: transverse and longitudinal cracks, delamination between disoriented layers and broken fibers. The development of these modes of damage can be detrimental for the stiffness of the laminates. From the experimental point of view, transverse cracking is known as the first mode of damage. In this regard, the objective of the present paper is to investigate the effect of transverse cracking in cross-ply laminate under thermo-mechanical degradation. A Finite Element (FE) simulation of damage evolution in composite crossply laminates of type [$0_m/90_n]_s$ subjected to uni-axial tensile loading is carried out. The effect of transverse cracking on the cross-ply laminate strength under thermo-mechanical degradation is investigated numerically. The results obtained by prediction of the numerical model developed in this investigation demonstrate the influence of the transverse cracking on the bearing capacity and resistance to damage as well as its effects on the variation of the mechanical properties such as Young's modulus, Poisson's ratio and coefficient of thermal expansion. The results obtained are in good agreement with those predicted by the Shear-lag analytical model as well as with the obtained experimental results available in the literature.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.5
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pp.535-541
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2010
In this paper, we have derived a continuum-based adjoint design sensitivity of general performance functionals with respect to Young' modulus and heat conduction coefficient for steady-state nonlinear thermoelastic problems. An adjoint equation for temperature and displacement fields is defined for the efficient computation of the coupled field design sensitivity. Through numerical examples, we investigated the mesh dependency of the topology optimization method in the thermoelastic problems. Also, comparing the dominant loading cases of thermal and mechanical ones, the loading dependency of topology design optimization in coupled multi-physics problems is investigated.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.17
no.4
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pp.526-534
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2016
A MEMS solid propellant thruster array shall be operated within an allowable range of operating temperatures to avoid ignition failure by incomplete combustion due to a time delay in ignition. The structural safety of the MEMS thruster array under severe on-orbit thermal conditions can also be guaranteed by a suitable thermal control. In this study, we propose a thermal control strategy to perform on-orbit verification of a MEMS thruster module, which is expected to be the primary payload of the STEP Cube Lab mission. The strategy involves, the use of micro-igniters as heaters and temperature sensors for active thermal control because an additional heater cannot be implemented in the current design. In addition, we made efforts to reduce the launch loads transmitted to the MEMS thruster module at the system level structural design. The effectiveness of the proposed thermo-mechanical design strategy has been demonstrated by numerical analysis.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.13
no.6
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pp.17-23
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2009
The survivability of the temporary nozzle extension for an accurate thrust measurement in a full-scaled combustor has been investigated through thermal analyses. The effects of nozzle extension materials and the thickness of thermal barrier coating (TBC) have been elucidated. It has been found that thermal survivability cannot be guaranteed without TBC. The maximum temperature of the nozzle extension decreased with increasing TBC thickness. For hot firing tests, the TBC is thought to be indispensable to the thermo-structural survivability of the nozzle extension made of steel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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