This paper proposes a refined electro-mechanical beam formulation. Lagrange-type polynomials are used to interpolate the unknowns over the beam cross section. Three- (L3), four- (L4), and nine-point(L9) polynomials are considered which lead to linear, bi-linear, and quadratic displacement field approximations over the beam cross-section. Finite elements are obtained by employing the principle of virtual displacements in conjunction with the Carrera Unified Formulation (CUF). The finite element matrices and vectors are expressed in terms of fundamental nuclei whose forms do not depend on the assumptions made. Additional refined beam models are implemented by introducing further discretizations, over the beam cross-section. Some assessments from bibliography have been solved in order to validate the electro-mechanical formulation. The investigations conducted show that the present formulation is able to detect the electro-mechanical interaction.
In this article, the multiphysics response of magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam subjected to thermo-mechanical loading is analysed. The equilibrium equations of the system are obtained with the aid of the principle of total potential energy. The constitutive equations of a MEE material accounting the thermal fields are used for analysis. The corresponding finite element (FE) formulation is derived and model of the beam is generated using an eight noded 3D brick element. The 3D FE formulation developed enables the representation of governing equations in all three axes, achieving accurate results. Also, geometric, constitutive and loading assumptions required to dimensionality reduction can be avoided. Numerical evaluation is performed on the basis of the derived formulation and the influence of various mechanical loading profiles and volume fractions on the direct quantities and stresses is evaluated. In addition, an attempt has been made to compare the individual effect of thermal and mechanical loading with the combined effect. It is believed that the numerical results obtained helps in accurate design and development of sensors and actuators.
Asrari, Reza;Ebrahimi, Farzad;Kheirikhah, Mohammad Mahdi
Advances in nano research
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v.9
no.1
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pp.33-45
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2020
Geometrically nonlinear buckling of functionally graded magneto-electro-elastic (FG-MEE) nanoshells with the use of classical shell theory and nonlocal strain gradient theory (NSGT) has been analyzed in present research. Mathematical formulation based on NSGT gives two scale coefficients for simultaneous description of structural stiffness reduction and increment. Functional gradation of material properties is described based on power-law formulation. The nanoshell is under a multi-physical field related to applied voltage, magnetic potential, and mechanical load. Exerting a strong electric voltage, magnetic potential or mechanical load may lead to buckling of nanoshell. Taking into account geometric nonlinearity effects after buckling, the behavior of nanoshell in post-buckling regime can be analyzed. Nonlinear governing equations are reduced to ordinary equations utilizing Galerkin's approach and post-buckling curves are obtained based on an analytical procedure. It will be shown that post-buckling curves are dependent on nonlocal/strain gradient parameters, electric voltage magnitude and sign, magnetic potential magnitude and sign and material gradation exponent.
A unified formulation of finite layer methods (FLMs), based on the Reissner mixed variational theorem (RMVT), is developed for the three-dimensional (3D) coupled electro-elastic analysis of simply-supported, functionally graded piezoelectric material (FGPM) plates with open- and closed-circuit surface conditions and under electro-mechanical loads. In this formulation, the material properties of the plate are assumed to obey an exponent-law varying exponentially through the thickness coordinate, and the plate is divided into a number of finite rectangular layers, in which the trigonometric functions and Lagrange polynomials are used to interpolate the in- and out-of-plane variations of the primary field variables of each individual layer, respectively, such as the elastic displacement, transverse shear and normal stress, electric potential, and normal electric displacement components. The relevant orders used for expanding these variables in the thickness coordinate can be freely chosen as the linear, quadratic and cubic orders. Four different mechanical/electrical loading conditions applied on the top and bottom surfaces of the plate are considered, and the corresponding coupled electro-elastic analysis of the loaded FGPM plates is undertaken. The accuracy and convergence rate of the RMVT-based FLMs are assessed by comparing their solutions with the exact 3D piezoelectricity ones available in the literature.
In this paper, free vibration and static response of magneto-electro-elastic (MEE) beams has been investigated. To this end, a 3D finite element formulation has been derived by minimization the total potential energy and linear constitutive equation. The coupling between elastic, electric and magnetic fields can have a significant influence on the stiffness and in turn on the static behaviour of MEE beam. Further, different Barium Titanate ($BaTiO_3$) and Cobalt Ferric oxide ($CoFe_2O_4$) volume fractions results in indifferent coupled response. Therefore, through the numerical examples the influence of volume fractions and boundary conditions on the natural frequencies of MEE beam is illustrated. The study is extended to evaluate the static response of MEE beam under various forms of mechanical loading. It is seen from the numerical evaluation that the volume fractions, loading and boundary conditions have a significant effect on the structural behaviour of MEE structures. The observations made here may serve as benchmark solutions in the optimum design of MEE structures.
This article deals with the buckling behaviour of multilayered magneto-electro-elastic (MEE) plate subjected to uniaxial and biaxial compressive (in-plane) loads. The constitutive equations of MEE material are used to derive a finite element (FE) formulation involving the coupling between electric, magnetic and elastic fields. The displacement field corresponding to first order shear deformation theory (FSDT) has been employed. The in-plane stress distribution within the MEE plate existing due to the enacted force is considered to be equivalent to the applied in-plane compressive load in the pre-buckling range. The same stress distribution is used to derive the potential energy functional. The non-dimensional critical buckling load is accomplished from the solution of allied linear eigenvalue problem. Influence of stacking sequence, span to thickness ratio, aspect ratio, load factor and boundary condition on critical buckling load and their corresponding mode shape is investigated. In addition, static deflection of MEE plate under the sinusoidal and the uniformly distributed load has been studied for different stacking sequences and boundary conditions.
In this article, static analysis of a magneto-electro-elastic (MEE) beam subjected to various thermal loading and boundary conditions has been investigated. Influence of pyroeffects (pyroelectric and pyromagnetic) on the direct quantities (displacements and the potentials) of the MEE beam under different boundary conditions is studied. The finite element (FE) formulation of the MEE beam is developed using the total potential energy principle and the constitutive equations of the MEE material taking into account the coupling between elastic, electric, magnetic and thermal properties. Using the Maxwell electrostatic and electromagnetic relations, variation of stresses, displacements, electric and magnetic potentials along the length of the MEE beam are investigated. Effect of volume fractions, aspect ratio and boundary conditions on the direct quantities in thermal environment has been determined. The present investigation may be useful in design and analysis of magnetoelectroelastic smart structures and sensor applications.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.1
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pp.72-80
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2004
Steady flow of an ER (electro-rheological) fluid in a two-dimensional electrode channel is studied by using FEM. Hydrodynamic interactions between the particles and the fluid are calculated by solving the Navier-Stokes equation combined with the equation of motion for each particle, where the multi-body electrostatic interaction is described by using point-dipole model. Motion of the particles in the ER fluid is elucidated in conjunction with the mechanisms of the flow resistance and the increase of viscosity. The ER effects have been studied by varying the Mason number and volume fraction of particles. These parameters have an influence on the formation of the chains resulting in the changes of the fluid velocity and the effective viscosity of ER fluids.
Moreno-Navarro, Pablo;Ibrahimbegovic, Adnan;Perez-Aparicio, Jose L.
Coupled systems mechanics
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v.7
no.1
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pp.5-25
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2018
A fully-coupled thermodynamic-based transient finite element formulation is proposed in this article for electric, magnetic, thermal and mechanic fields interactions limited to the linear case. The governing equations are obtained from conservation principles for both electric and magnetic flux, momentum and energy. A full-interaction among different fields is defined through Helmholtz free-energy potential, which provides that the constitutive equations for corresponding dual variables can be derived consistently. Although the behavior of the material is linear, the coupled interactions with the other fields are not considered limited to the linear case. The implementation is carried out in a research version of the research computer code FEAP by using 8-node isoparametric 3D solid elements. A range of numerical examples are run with the proposed element, from the relatively simple cases of piezoelectric, piezomagnetic, thermoelastic to more complicated combined coupled cases such as piezo-pyro-electric, or piezo-electro-magnetic. In this paper, some of those interactions are illustrated and discussed for a simple geometry.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.22
no.4
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pp.715-722
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1998
A large electric system of a vacuum circuit breaker(VCB) has been studied for the electro-thermal analysis by finite element methods. Since the heat generation in VCB causes not only energy loss but deterioration of the VCB system with oxidization of parts, the overheating of the system must be prevented. For the analysis, a finite element formulation is derived for both electric analysis and thermal analysis that are coupled together. Two sets of formulations are uncoupled after finite dimensional approximation. First, the electric potential is obtained for the entire field and scaled to the given electric current. The electric field obtained is then used to calculate the heat generation in the VCB system including contacts and connections for the calculation of the temperature distribution in the entire domain. The finite element analysis is carried out to study the effect of shapes and locations of contacts and connections. From the results, the existing VCB has been modified to enhance its capacity with reduction of heat generation and temperature elevation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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