The standard numerical approximation of structural displacement field leads to the thickness-wise transverse shear stress distributions which are quite different from the exact ones. To overcome this inherent problem, an effective and reliable post-processing method is presented based on the strain recovery and the stress equilibrium, particularly for functionally graded cylindrical and conical elastic panels. The present method is developed in the framework of locking-free 2-D natural element method. Through the recovery of displacement component-wise derivatives, the element-wise discontinuous in-plane strain distributions are enhanced to be globally continuous and smoothened. And, using the continuous in-plane strains, the troublesome poor transverse shear stress distributions are enhanced through the thickness-wise integration of static equilibrium equations. The validity of present post-processing method is verified through the comparison with the reference solutions. In addition, the comparative experiments are also performed to investigate the difference between the present method and other available post-processing methods. The numerical results confirm that the present method provides the accurate transverse shear stress distributions which are consistent with the reference solutions and much better than other available methods.
JUNHYUB JEON;SEUNGGYU CHOI;NAMHYUK SEO;YOUNG HOON MOON;IN-JIN SHON;SEOK-JAE LEE
Archives of Metallurgy and Materials
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v.65
no.4
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pp.1249-1254
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2020
The effect of TiC content on the microstructure and mechanical properties of a nanocrystalline Fe-Mn alloy was investigated by XRD analysis, TEM observation, and mechanical tests. A sintered Fe-Mn alloy sample with nano-sized crystallites was obtained using spark plasma sintering. Crystallite size, which is used as a hardening mechanism, was measured by X-ray diffraction peak analysis. It was observed that the addition of TiC influenced the average size of crystallites, resulting in a change in austenite stability. Thus, the volume fraction of austenite at room temperature after the sintering process was also modified by the TiC addition. The martensite transformation during cooling was suppressed by adding TiC, which lowered the martensite start temperature. The plastic behavior and the strain-induced martensite kinetics formed during plastic deformation are discussed with compressive stress-strain curves and numerical analysis for the transformation kinetics.
In this paper, an extended finite element method is proposed to analyze both geometric and material non-linear behavior of general Functionally Graded Material (FGM) plate-shell type structures. A user defined subroutine (UMAT) is developed and implemented in Abaqus/Standard to study the elastoplastic behavior of the ceramic particle-reinforced metal-matrix FGM plates-shells. The standard quadrilateral 4-nodes shell element with three rotational and three translational degrees of freedom per node, S4, is extended in the present study, to deal with elasto-plastic analysis of geometrically non-linear FGM plate-shell structures. The elastoplastic material properties are assumed to vary smoothly through the thickness of the plate-shell type structures. The nonlinear approach is based on Mori-Tanaka model to underline micromechanics and locally determine the effective FGM properties and self-consistent method of Suquet for the homogenization of the stress-field. The elasto-plastic behavior of the ceramic/metal FGM is assumed to follow Ludwik hardening law. An incremental formulation of the elasto-plastic constitutive relation is developed to predict the tangent operator. In order to to highlight the effectiveness and the accuracy of the present finite element procedure, numerical examples of geometrically non-linear elastoplastic functionally graded plates and shells are presented. The effects of the geometrical parameters and the volume fraction index on nonlinear responses are performed.
Densification of SiC powder with additives of total amount of2, 4, 8 $wt\%$ Al-B-C was carried out by Spark Plasma Sintering (SPS). The unique features of the process are the possibilities of a very fast heating rate and a short holding time to obtain fully dense materials. The heating rate and applied pressure were kept at $100^{\circ}C/min$ and 40 MPa, while the sintering temperature and holding time varied from 1700 - $1800^{\circ}C$ for 10 - 40 min, respectively. The SPS-sintered specimens with different amount of Al-B-C at $1800^{\circ}C$ reached near-theoretical density. The $3C{\rightarrow}6H,\;15R{\rightarrow}4H$ phase transformation of SiC was enhanced by increasing the additive amount. The microstructure of SiC sintered up to $1750^{\circ}C$ consisted of fine equiaxed grains. In contrast, the growth of large elongated grains in small matrix grains was shown in sintered bodies at $1800^{\circ}C$, and the plate-like grains interlocking microstructure had been developed by increasing the holding time at $1800^{\circ}C$. The grain growth rate decreases with increasing amount of Al-B-C in SiC starting powder, however, the both of volume fraction and aspect ratio of large grains in sintered body increased.
Glass-ceramics containing a cordierite (2MgO-2Al2O3-5SiO2) as a main crystal phase was prepared from MgO-Al2O3-SiO2 system glass through a controlled 2-step heat treatment for the application to magnetic memory disk substrate for higher storage capacity. Parent glasses prepared with addition of CeO2 as a fulx and TiO2 as a nucleating agent were crystallized by a 2-step heat treatment i.e. nucleation and crystal grwoth. Then the maximum nucleation and crystal growth rates were investigated and several properties such as bending strength, surface hardness and surface roughness were also studied for heat treated glass. As a result, only a $\alpha$-cordierite was precipitated as a main crystal phase for all heat treatment conditions and the maximum nucleation and crystal growth rates were 2.4$\times$109/㎣.hr at 80$0^{\circ}C$ and 0.3${\mu}{\textrm}{m}$/hr at 915$^{\circ}C$ respectively. After being nucleated at 80$0^{\circ}C$ for 5 hours and then crystallized at 915$^{\circ}C$ for 1 hour, the heat treated glass had a crystal volume fraction of 17.6% and crystal size fo 0.3${\mu}{\textrm}{m}$, and showed the optimum properties for the application to magnetic memory disk substrates as follows. ; Bending strength of 192 MPa, Vidkers hardness of 642.1kgf/$\textrm{mm}^2$, and surface roughness of 27$\AA$.
HTGR using a TRISO coated particles as nuclear raw fuel material can be used to produce clean hydrogen gas and process heat for a next-generation energy source. For these purposes, a TRISO coated particle was prepared with 3 pyro-carbon (buffer, IPyC, and OPyC) layers and 1 silicone carbide (SiC) layer using a CVD technique on a spherical $UO_2$ kernel surface as a fissile material. In this study, a spherical $UO_2$ particle was prepared using a modified sol-gel method with a vibrating nozzle system, and TRISO coating fabrication was carried out using a fluidized bed reactor with coating gases, such as acetylene, propylene, and methyltrichlorosilane (MTS). As the results of this study, a spherical $UO_2$ kernel with a sphericity of 1+0.06 was obtained, and the main process parameters in the $UO_2$ kernel preparation were the well-formed nature of the spherical ADU liquid droplets and the suitable temperature control in the thermal treatment of intermediate compounds in the ADU, $UO_3$, and $UO_2$ conversions. Also, the important parameters for the TRISO coating procedure were the coating temperature and feed rate of the feeding gas in the PyC layer coating, the coating temperature, and the volume fraction of the reactant and inert gases in the SiC deposition.
LCP (Liquid Crystal Polymer)/BT(BaTiO$_3$) composite was prepared by mixing LCP varnish and BT slurry. And the effect of the composition of LCP/BT composites and the size of BT powder on dielectric properties of LCP/BT composite were investigated. The dispersion properties of BT slurries were also studied as a function of volume fraction of dispersant, GLYMO (3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane) added to various sized BT powders. The quantity of optimum dispersant in BT slurry decreased with an increase of BT powder size because of the decrease of specific surface area of BT powder. LCP/BT composite sheet was prepared by tape-casting method with mixing BT slurry and LCP varnish. The dielectric constant of the composites increased from 34.3 to 44.1 and their dielectric loss increased from 0.05 to 0.063 as the size of BT powder increased from 100 nm to 500 nm.
Hosseini, Mohammad;Arani, Ali Ghorbanpour;Karamizadeh, Mohammad Reza;Afshari, Hassan;Niknejad, Shahriar
Wind and Structures
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v.29
no.6
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pp.457-469
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2019
In this paper, a numerical solution is presented for supersonic flutter analysis of cantilever non-symmetric functionally graded (FG) sandwich plates. The plate is considered to be composed of two different functionally graded face sheets and an isotropic homogeneous core made of ceramic. Based on the first order shear deformation theory (FSDT) and linear piston theory, the set of governing equations and boundary conditions are derived. Dimensionless form of the governing equations and boundary conditions are derived and solved numerically using generalized differential quadrature method (GDQM) and critical velocity and flutter frequencies are calculated. For various values of the yaw angle, effect of different parameters like aspect ratio, thickness of the plate, power law indices and thickness of the core on the flutter boundaries are investigated. Numerical examples show that wings and tail fins with larger length and shorter width are more stable in supersonic flights. It is concluded for FG sandwich plates made of Al-Al2O3 that increase in volume fraction of ceramic (Al2O3) increases aeroelastic stability of the plate. Presented study confirms that improvement of aeroelastic behavior and weight of wings and tail fins of aircrafts are not consistent items. It is shown that value of the critical yaw angle depends on aspect ratio of the plate and other parameters including thickness and variation of properties have no considerable effect on it. Results of this paper can be used in design and analysis of wing and tail fin of supersonic airplanes.
For potential application to quantum mechanical devices, nano-composite thin films, consisting of GaAs quantum dots dispersed in SiO$_2$ glass matrix, were fabricated and studied in terms of structural, chemical, and optical properties. In order to form crystalline GaAs quantum dots at room temperature, uniformly dispersed in $SiO_2$matrix, the composite films were made to consist of alternating layers of GaAs and $SiO_2$in the manner of a superlattice using RF magnetron sputter deposition. Among different film samples, nominal thickness of an individual GaAs layer was varied with a total GaAs volume fraction fixed. From images of High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), the formation of GaAs quantum dots on SiO$_2$was shown to depend on GaAs nominal thickness. GaAs deposits were crystalline and GaAs compound-like chemically according to HRTEM and XPS analysis, respectively. From measurement of optical absorbance using a spectrophotometer, absorption edges were determined and compared among composite films of varying GaAs nominal thicknesses. A progressively larger shift of absorption edge was noticed toward a blue wavelength with decreasing GaAs nominal thickness, i.e. quantum dots size. Band gaps of the composite films were also determined from Tauc plots as well as from PL measurements, displaying a linear decrease with increasing GaAs nominal thickness.
To fabricate the continuously porous alumina bodies by multi-extrusion process, carbon powder and ethylene vinyl acetate were used as a pore forming agent and a binder, respectively. As the change of extrusion pass number, reduction ratio as well as the volume fraction of core and tube, the porous alumina bodies having various kind of pore size and porosity could be obtained. The porous bodies showed continuous pore shape, high specific surface as well as high bending strength, which were compared with those of commercial alumina bodies. In-vitro study was carried out using MG-63 osteoblast cells to investigate of their biocompatibility. As a result, the cells grew well on top and bottom as well as inside surface of pore. From the result of in-vivo study of 3-dimensional porous alumina bodies using rats, it was confirmed that any inflammatory response was not found in the subcutaneous tissue around porous body. Also the porous bodies removed from the rats were fully covered with well-developed fibrous tissues and showed the formation of new capillary blood vessels.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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