Hollow cylindrical tubes with a prismatic sandwich lining designed to replace the solid cross-sections are studied in this paper. The sections are divided by a number of revolving periodic unit cells and three topologies of unit cells (Square, Triangle and Kagome) are proposed. Some types of multiple-topology designed materials are also studied. The feasibility and accuracy of a homogenization method for obtaining the equivalent parameters are investigated. As the curved elements of a unit cell are represented by straight elements in the method and the ratios of the lengths of the curved elements to the lengths of the straight elements vary with the changing number of unit cells, some errors may be introduced. The frequencies of the first five modes and responses of the complete and equivalent models under an internal static pressure and an internal step pressure are compared for investigating the scope of applications of the method. The lower bounds and upper bounds of the number of Square, Triangular and Kagome cells in the sections are obtained. It is shown that treating the multiple-topology designed materials as a separate-layer structure is more accurate than treating the structure as a whole.
Moreno-Navarro, Pablo;Perez-Aparicio, Jose L.;Gomez-Hernandez, J.J.
Coupled systems mechanics
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제11권2호
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pp.151-166
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2022
Peltier cells have low efficiency, but they are becoming attractive alternatives for affordable and environmentally clean cooling. In this line, the current article develops closed-form and semianalytical solutions to improve the temperature distribution of Bi2Te3 thermoelements. From the distribution, the main objective of the current work-the optimal electric intensity to maximize cooling-is inferred. The general one-dimensional differential coupled equation is integrated for linear and quadratic geometry of thermoelements, under temperature constant properties. For a general shape, a piece-wise solution based on heat flux continuity among virtual layers gives accurate analytical solutions. For variable properties, another piece-wise solution is developed but solved iteratively. Taking advantage of the formulae, the optimal intensity is directly derived with a minimal computational cost; its value will be of utility for more advanced designs. Finally, a parametric study including straight, two linear, barrel, hourglass and vase geometries is presented, drawing conclusions on how the shape of the thermoelement affects the coupled phenomena. A specially developed coupled and non-linear finite element research code is run taking into account all the materials of the cell and using symmetries and repetitions. These accurate results are used to validate the analytical ones.
A multiscale method is presented for analysis of thin slab structures in which the microstructures can not be reduced to two-dimensional plane stress models and thus three dimensional treatment of microstructures is necessary. This method is based on the classical asymptotic expansion multiscale approach but with consideration of the special geometric characteristics of the slab structures. This is achieved via a special form of multiscale asymptotic expansion of displacement field. The expanded three dimensional displacement field only exhibits in-plane periodicity and the thickness dimension is in the global scale. Consequently by employing the multiscale asymptotic expansion approach the global macroscopic structural problem and the local microscopic unit cell problem are rationally set up. It is noted that the unit cell is subjected to the in-plane periodic boundary conditions as well as the traction free conditions on the out of plane surfaces of the unit cell. The variational formulation and finite element implementation of the unit cell problem are discussed in details. Thereafter the in-plane material response is systematically characterized via homogenization analysis of the proposed special unit cell problem for different microstructures and the reasoning of the present method is justified. Moreover the present multiscale analysis procedure is illustrated through a plane stress beam example.
We have developed the hybrid prototype load cell structures. These developed load cell structures may increase the reliability of the load sensing by deriving the load values through the double sensing method through the vertical maximum deflection and bending stress of the simple beams. For this purpose, the structure design was performed so that the load value, the deflection and stress value could be output to the same value through the optimal structure design. The structurally designed dimensions reaffirmed the accuracy of the design through the structural analysis program and the matching of the load value and the deflection value. Based on the designed structural dimension, the prototype form was constructed through laser cutting and production using hot rolled steel materials. The developed prototype load cell structure can be used as good educational material in various subjects such as material mechanics, steel structure design, measurement engineering, and mechatronics engineering. It is also believed that the measurement system ideas can inform the occurrence of errors in the event of a problem, and if a major accident caused by a sensing error is predicted, it will show good utilization to prevent accidents.
한국윤활학회 2002년도 proceedings of the second asia international conference on tribology
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pp.193-194
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2002
The frictional characteristics of natural rubber plates under various conditions including sliding speed, contacted ball size, and lubrication conditions were evaluated experimentally. The frictional force and the normal force were measured by a self-made tester pin and a load cell with strain gages. In the lubrication condition, the effect of sliding speed was not significant over tested speed range. But in the none-lubrication condition, according to increase the sliding speed, the friction coefficient was decreased. The coefficients of friction under various lubrication conditions were varied from 0.03 to 0.32 and under none-lubrication condition was varied from 2.54 to 4.74.
The theoretical framework of the interaction fields for multiple scales based on field theory is applied to one-dimensional problem mimicking dislocation substructure sensitive intra-granular inhomogeneity evolution under fatigue of Cu-added steels. Three distinct scale levels corresponding respectively to the orders of (A)dislocation substructures, (B)grain size and (C)grain aggregates are set-up based on FE-RKPM (reproducing kernel particle method) based interpolated strain distribution to obtain the incompatibility term in the interaction field. Comparisons between analytical conditions with and without the interaction, and that among different cell size in the scale A are simulated. The effect of interaction field on the B-scale field evolution is extensively examined. Finer and larger fluctuation is demonstrated to be obtained by taking account of the field interactions. Finer cell size exhibits larger field fluctuation whereas the coarse cell size yields negligible interaction effects.
In this paper, the shape factors of cellular meta-material plates (MMPs) having diverse cell arrays have been determined as the first attempt to finally examine their stability and vibrational frequencies. The MMPs are actually constructed from cylindrical or cubic cellular cores and two face sheets. Sandwich-like MMPs with circular and square holes in the face sheets have been selected in such a way that the effective material properties depend on the cellular architectures. For verifying the frequency results, finite element (FE) simulations are done in Abaqus software. Several graphical results have been represented to explore the effects of cellular architectures on vibrational frequencies and dynamic responses of the MMPs. Also, the deflection-frequency and stability curves in the case of forced vibrations have been plotted for diverse cell arrays.
The durability test of turbo-blower for PEM fuel cell is very important process of BOP development. It is a major barrier to the commercialization of these systems for stationary and transportation power applications. Commercial viability depends on improving the durability of the air supply system to increase the reliability and to reduce the lifetime cost. In this study, turbo-blower supported by oil-free bearing is introduced as the air supply system used by 80kW proton exchange membrane fuel systems. The turbo-blower is a turbo machine which operates at high speed, so air foil bearings suit their purpose as bearing elements. The impeller of blower was adopted mixed type of centrifugal and axial. So, it has several advantages for variable operating condition. The turbo-blower test results show maximum parasitic power levels below 1.67kW with the 30,000 rpm rotating speed, the flow rate of air has maximum 163SCFM(@PR1.1). For proper application of FCV, these have to durability test. This paper describes the experiment for confirming endurance and stability of the turbo-blower for 500 hours.
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) stack power output is needed to be approximately 100 kW to meet the requirements of automotive applications. In order to secure the electric safety for drivers, passengers and mechanics, it is very important to understand phenomena of an electric insulation in a fuel cell vehicle. In this study, we studied the electric insulation properties and the insulation resistance of stack, system and vehicle in the field of fuel cell was estimated at the applied voltage of 500 V, respectively. Also we discussed the insulation factors such as the conductivity of coolant, the element of vehicle design and the intrinsic resistance of the vehicle components.
A model has been proposed that can predict the ultimate torsional strength of single-box multi-cell reinforced concrete box girder under combined loading of bending, shear and torsion. Compared with the single-cell box girder, this model takes the influence of inner webs on the distribution of shear flow into account. According to the softening truss theory and thin walled tube theory, a failure criterion is presented and a ultimate torsional strength calculating procedure is established for single-box multi-cell reinforced concrete box girder under combined actions, which considers the effect of tensile stress among the concrete cracks, Mohr stress compatibility and the softened constitutive law of concrete. In this paper the computer program is also compiled to speed up the calculation. The model has been validated by comparing the predicted and experimental members loaded under torsion combined with different ratios of bending and shear. The theoretical torsional strength was in good agreement with the experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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