Khayat, Majid;Dehghan, Seyed Mehdi;Najafgholipour, Mohammad Amir;Baghlani, Abdolhossein
Steel and Composite Structures
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v.28
no.6
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pp.735-748
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2018
In this study, the semi-analytical finite strip method is adopted to examine the free vibration of cylindrical shells made up of functionally graded material. The properties of functionally graded shells are assumed to be temperature-dependent and vary continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of ceramic and metal. The material properties of the shells and stiffeners are assumed to be continuously graded in the thickness direction. Theoretical formulations based on the smeared stiffeners technique and the classical shell theory with first-order shear deformation theory which accounts for through thickness shear flexibility are employed. The finite strip method is applied to five different shell theories, namely, Donnell, Reissner, Sanders, Novozhilov, and Teng. The approximate procedure is compared favorably with three-dimensional finite elements. Finally, a detailed numerical study is carried out to bring out the effects of power-law index of the functional graded material, stiffeners, and geometry of the shells on the difference between various shell theories. Finally, the importance of choosing the shell theory in simulating the functionally graded cylindrical shells is addressed.
This paper investigates the design of a perfect point load actuator based on flat triangular piezoelectric patches. Applying a difference of electric potential between the electrodes of a triangular patch leads to point loads at the tips and distributed moments along the edges of the electrodes. The previously derived analytical expressions of these forces show that they depend on two factors: the width over height (b/l) ratio of the triangle, and the ratio of the in-plane piezoelectric properties ($e_{31}/e_{32}$) of the active layer of the piezoelectric patch. In this paper, it is shown that by a proper choice of b/l and of the piezoelectric properties, the moments can be cancelled, so that if one side of the triangle is clamped, a perfect point load actuation can be achieved. This requires $e_{31}/e_{32}$ to be negative, which imposes the use of interdigitated electrodes instead of continuous ones. The design of two transducers with interdigitated electrodes for perfect point load actuation on a clamped plate is verified with finite element calculations. The first design is based on a full piezoelectric ceramic patch and shows superior actuation performance than the second design based on a piezocomposite patch with a volume fraction of fibres of 86%. The results show that both designs lead to perfect point load actuation while the use of an isotropic PZT patch with continuous electrodes gives significantly different results.
This paper is presented to solve the buckling problem of functionally graded truncated conical shells subjected to displacement-dependent pressure which remains normal to the shell middle surface throughout the deformation process by the semi-analytical finite strip method. Material properties are assumed to be temperature dependent, and varied continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of a ceramic and metal. The governing equations are derived based on first-order shear deformation theory which accounts for through thickness shear flexibility with Sanders-type of kinematic nonlinearity. The element linear and geometric stiffness matrices are obtained using virtual work expression for functionally graded materials. The load stiffness also called pressure stiffness matrix which accounts for variation of load direction is derived for each strip and after assembling, global load stiffness matrix of the shell which may be un-symmetric is formed. The un-symmetric parts which are due to load non-uniformity and unconstrained boundaries have been separated. A detailed parametric study is carried out to quantify the effects of power-law index of functional graded material and shell geometry variations on the difference between follower and non-follower lateral buckling pressures. The results indicate that considering pressure stiffness which arises from follower action of pressure causes considerable reduction in estimating buckling pressure.
6061Al-SiCP metal matrix composite materials(MMCs) were fabricated by injecting SiCP particles directly into the atomized spray. The main attraction of this technique is the rapid fabrication of semi-finished, composite products in a combined atomization, particulate injection(10 $\mu\textrm{m}$, 40 $\mu\textrm{m}$, SiCP) and deposition operation. Conclusions obtained are as follows; The microstructure of the unreinforced spray formed 6061Al alloy consisted of relatively fine(50 $\mu\textrm{m}$) equiaxed grains. By comparision, the microstructure of the I/M materials was segregated and consisted of relatively coarse(150 $\mu\textrm{m}$) grains. The probability of clustering of SiCP particles in co-sprayed metal matrix composites increased it ceramic particle size(SiCP) was reduced and the volume fraction was held constant. Analysis of overspray powders collected from the spray atomization and deposition experiments indicated that morphology of powders were nearly spherical and degree of powders sphercity was deviated due to composite with SiCp particles. Interfacial bonding between matrix and ceramics was improved by heat treatment and addition of alloying elements(Mg). Maximum hardness values [Hv: 165 kg/mm2 for Al-10 $\mu\textrm{m}$ SiCp Hv--159 kg/mm2 for Al-40 $\mu\textrm{m}$SiCp] were obtained through the solution heat treatment at $530^{\circ}C$ for 2 hrs and aging at $178^{\circ}C$, and there by the resistance were improved.
MoSi$_2$heating elements were fabricated using MoSi$_2$, powder prepared by SHS. Their apparent density, electrical resistivity, bending strength and victors hardness were measured as a function of sintering temperature, time and the amount of ceramic additives. The additives were A1$_2$O$_3$, SiO$_2$and bentonite which were added as a plastisizer. The electrical resistivity of MoSi$_2$decreased with the increase in the apparent density as expected. It decreased when the additives were added and the increase was the largest for the case of SiO$_2$. The bending strength and hardness decreased when the grain size becomes larger which is opposite to the expectation from the Hall-Petch type relation. Instead, they showed inverse proportionality with the volume fraction of pores probably in an exponential manner. The strength and hardness also decreased with the additives.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.26
no.11
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pp.790-800
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2013
The optimal structure of 1-3 piezocomposites has been determined by controlling polymer properties, ceramic volume fraction, thickness of composite and aspect ratio of the composite to maximize the TVR (transmitting voltage response), RVS (receiving voltage sensitivity) and FBW (fractional bandwidth) of underwater acoustic transducers. Influence of the design variables on the transducer performance was analyzed with equivalent circuits and the finite element method. When the piezocomposite is vibrating in a pure thickness mode, inter-pillar resonant modes are likely to occur between lattice-structured piezoceramic pillars and polymer matrix, which significantly deteriorate the performance of the piezocomposite. In this work, a new method to design the structure of the 1~3 type piezocomposite was proposed to maximize the TVR, RVS and FBW while preventing the occurrence of the inter-pillar modes. Genetic algorithm was used in the optimal design.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2006.06a
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pp.333-334
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2006
The objective of this study is to fabricate a piezoelectric composite consisting of a piezoelectric ceramic and a high toughness material and to evaluate their electromechanical properties for high force actuator applications. The mixture of the piezoelectric material, PMNZT, and high toughness material, $ZrO_2$, exhibited high piezoelectric properties as well as good mechanical fracture resistance. Up to 2 vol% of $ZrO_2$ in PMNZT matrix, piezoelectric $d_{33}$ coefficient was above 400 pC/N, being 80% of that for the original PMNZT, and the toughness showed twice of the PMNZT. When the volume fraction of the $ZrO_2$ was above 5%, however, the piezoelectric coefficient became abruptly decreased and it approached 20% of value for the PMNZT.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.20
no.7
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pp.587-593
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2007
Oil-based nanofluids were prepared by dispersing spherical and fiber shaped $Al_2O_3$ and AlN nanoparticles in transformer oil. Two hydrophobic surface modification processes using oleic acid (OA) and polyoxyethylene alkyl acid ester (PAAE) were compared in this study. The dispersion stability, viscosity and breakdown voltage of the nanofluids were also characterized. $(Al_2O_3+AlN)$ mixed nanofluid was prepared to take an advantage of the excellent thermal conductivity of AlN and a good convective heat transfer property of fiber shaped $Al_2O_3$. For $(Al_2O_3+AlN)$ particles with 1 % volume fraction in oil, the enhancement of thermal conductivity and convective heat transfer coefficient was nearly 11 % and 30 %, respectively, compared to pure transformer oil. The nanofluid, containing $Al_2O_3+AlN$, successfully lowered the temperature of the heating element and oil itself during a natural convection test using a prototype transformer.
In this article, the buckling and free vibration of multi-directional FGM sandwich plates are investigated. The material properties of FGM sandwich plates are assumed to be varying continuously in the in the longitudinal, transverse and thickness directions. The material properties are evaluated based on Voigt's micro-mechanical model considering power law distribution method with arbitrary power index. Equations of motion for the buckling and vibration analysis of multi-directional FGM sandwich plate are obtained based on refined shear deformation theory. Analytical solution for simply supported multidirectional FGM sandwich plate is carried out using Navier's solution technique. The FGM sandwich plate considered in this work has a homogeneous ceramic core and two functionally graded face sheets. Influence of volume fraction index in the longitudinal, transverse and thickness direction, layer thickness, and geometrical parameter over natural frequency and critical buckling load of multi-directional FGM sandwich plate is investigated. The finding shows a multi-directional functionally graded structures perform better compared to uni-directional gradation. Hence, critical grading parameters have been identified which will guide researchers in selecting fabrication routes for improving the performance of such structures.
Mokhtar Ellali;Mashhour A. Alazwari;Mokhtar Bouazza;Mohamed A. Eltaher;Noureddine Benseddiq
Coupled systems mechanics
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v.13
no.4
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pp.277-291
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2024
The objective of this work is to study the effects of the modification of material properties on the vibration of the FGM beam using an integral shear strain model. In the present theory, the rotational displacement is replaced by an integral term in the displacement fields. The use of a shear correction factor is not necessary because our model gives a parabolic description of shear stress through the thickness while satisfying the conditions of zero shear stresses on the bottom and top surfaces of the beam. The FGM beam is assumed that the beam is a mixture of metal and ceramic, and that its properties change depending on the power functions of the thickness of the beam such as: linear, quadratic, cubic and inverse quadratic. By applying Hamilton's principle, general formulas were obtained to obtain the frequencies of the FGM beam. The effects of changing compositional characteristics of materials presented by volume fraction of FGM beams with simply supported edges on free vibration and some mode shapes are investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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