During the postulated severe accident of nuclear reactor, eutectic reaction leads to low-temperature melting of fuel cladding and early failure of core structure. In order to model eutectic melting with the moving particle semi-implicit (MPS) method, the eutectic reaction model is developed to simulate the eutectic reaction phenomenon. The coupling of mass diffusion and phase diagram is applied to calculate the eutectic reaction with the uniform temperature. A heat transfer formula is proposed based on the phase diagram to handle the heat release or absorption during the process of eutectic reaction, and it can combine with mass diffusion and phase diagram to describe the eutectic reaction with temperature variation. The heat transfer formula is verified by the one-dimensional melting simulations and the predicted interface position agrees well with the theoretical solution. In order to verify the eutectic reaction models, the eutectic reaction of uranium and iron in two semi-infinite domains is simulated, and the profile of solid thickness decrease over time follows the parabolic law. The modified MPS method is applied to calculate Transient Reactor Test Facility (TREAT) experiment, the penetration rate in the simulations are agreeable with the experiment results. In addition, a hypothetical case based on the TREAT experiment is also conducted to validate the eutectic reaction with temperature variation, the results present continuity with the simulations of TREAT experiment. Thus the improved method is proved to be capable of simulating the eutectic reaction in the severe accident.
Garg, A.;Mukhopadhyay, T.;Chalak, H.D.;Belarbi, M.O.;Li, L.;Sahoo, R.
Steel and Composite Structures
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v.44
no.5
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pp.707-720
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2022
In the present work, bending and free vibration analyses of multilayered functionally graded (FG) graphene platelet (GPL) and fiber-reinforced hybrid composite beams are carried out using the parabolic function based shear deformation theory. Parabolic variation of transverse shear stress across the thickness of beam and transverse shear stress-free conditions at top and bottom surfaces of the beam are considered, and the proposed formulation incorporates a transverse displacement field. The present theory works only with four unknowns and is computationally efficient. Hamilton's principle has been employed for deriving the governing equations. Analytical solutions are obtained for both the bending and free vibration problems in the present work considering different variations of GPLs and fibers distribution, namely, FG-X, FG-U, FG-Λ, and FG-O for beams having simply-supported boundary condition. First, the matrix is assumed to be strengthened using GPLs, and then the fibers are embedded. Multiscale modeling for material properties of functionally graded graphene platelet/fiber hybrid composites (FG-GPL/FHRC) is performed using Halpin-Tsai micromechanical model. The study reveals that the distributions of GPLs and fibers have significant impacts on the stresses, deflections, and natural frequencies of the beam. The number of layers and shape factors widely affect the behavior of FG-GPL-FHRC beams. The multilayered FG-GPL-FHRC beams turn out to be a good approximation to the FG beams without exhibiting the stress-channeling effects.
In this paper, a new refined quasi-three-dimensional (3D) shear deformation theory for the bending analysis of functionally graded plate is presented. The number of unknown functions involved in this theory is only four against five or more in the case of the other shear and normal deformation theories. Due to its quasi-3D nature, the stretching effect is taken into account in the formulation of governing equations. In addition, the effect of different micromechanical models on the bending response of these plates is studied. Various micromechanical models are used to evaluate the mechanical characteristics of the FG plates whose properties vary continuously across the thickness according to a simple power law. The present theory accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by a parabolic variation of displacements across the thickness, and the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factors. The problem is solved for a plate simply supported on its edges and the Navier solution is used. The results of the present method are compared with others from the literature where a good agreement has been found. A detailed parametric study is presented to show the effect of different micromechanical models on the flexural response of a simply supported FG plates.
Abdelouahed Tounsi;Saeed I. Tahir;Mohammed A. Al-Osta;Trinh Do-Van;Fouad Bourada;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdeldjebbar Tounsi
Computers and Concrete
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v.32
no.1
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pp.61-74
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2023
This article investigates the wave propagation analysis of the imperfect functionally graded (FG) sandwich plates based on a novel simple four-variable integral quasi-3D higher-order shear deformation theory (HSDT). The thickness stretching effect is considered in the transverse displacement component. The presented formulation ensures a parabolic variation of the transverse shear stresses with zero-stresses at the top and the bottom surfaces without requiring any shear correction factors. The studied sandwich plates can be used in several sectors as areas of aircraft, construction, naval/marine, aerospace and wind energy systems, the sandwich structure is composed from three layers (two FG face sheets and isotropic core). The material properties in the FG faces sheet are computed according to a modified power law function with considering the porosity which may appear during the manufacturing process in the form of micro-voids in the layer body. The Hamilton principle is utilized to determine the four governing differential equations for wave propagation in FG plates which is reduced in terms of computation time and cost compared to the other conventional quasi-3D models. An eigenvalue equation is formulated for the analytical solution using a generalized displacements' solution form for wave propagation. The effects of porosity, temperature, moisture concentration, core thickness, and the material exponent on the plates' dispersion relations are examined by considering the thickness stretching influence.
Yazid, Miloud;Heireche, Houari;Tounsi, Abdelouahed;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Houari, Mohammed Sid Ahmed
Smart Structures and Systems
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v.21
no.1
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pp.15-25
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2018
This work presents the buckling investigation of embedded orthotropic nanoplates such as graphene by employing a new refined plate theory and nonlocal small-scale effects. The elastic foundation is modeled as two-parameter Pasternak foundation. The proposed two-variable refined plate theory takes account of transverse shear influences and parabolic variation of the transverse shear strains within the thickness of the plate by introducing undetermined integral terms, hence it is unnecessary to use shear correction factors. Nonlocal governing equations for the single layered graphene sheet are obtained from the principle of virtual displacements. The proposed theory is compared with other plate theories. Analytical solutions for buckling loads are obtained for single-layered graphene sheets with isotropic and orthotropic properties. The results presented in this study may provide useful guidance for design of orthotropic graphene based nanodevices that make use of the buckling properties of orthotropic nanoplates.
(100) Si and 4$^{\circ}$off (100) Si were oxidized in dry oxygen, and the differences in thermal oxidation behavior and electrical characteristics between two specimens were investigated. Ellipsometer measurements of the oxide thickness produced by oxidation in dry oxygen from 1000 to 120$0^{\circ}C$ showed that the oxidation rates of the 5$^{\circ}$ off (100) Si were more rapid than those of the (100) Si and the differences between them decreased as the oxidation temperature increased. The activation energies based on the parabolic rate constant, B for (100) and 4$^{\circ}$off (100) Si were 25.8, 28.6 kcal/mol and those on the linear rate constant, B/A were 56.8, 54.9 kcal/mol, respectively. Variation of C-V characteristics with the oxidation temperature showed that the flat band voltages were shifted positively and surface state charge densities decreased as the oxidation temperature increased, and the surface state charge density of the 4$^{\circ}$off (100) Si was lower than that of the (100) Si. Also considerable decrease in the density of oxidation induced stacking faults (OSF) for the 4$^{\circ}$off (100) Si was observed through optical microscopy after preferentially etching off the oxide layer.
Hamed, Mostafa A.;Mohamed, Salwa A;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.1
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pp.75-89
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2020
The current paper illustrates the effect of in-plane varying compressive force on critical buckling loads and buckling modes of sandwich composite laminated beam rested on elastic foundation. To generalize a proposed model, unified higher order shear deformation beam theories are exploited through analysis; those satisfy the parabolic variation of shear across the thickness. Therefore, there is no need for shear correction factor. Winkler and Pasternak elastic foundations are presented to consider the effect of any elastic medium surrounding beam structure. The Hamilton's principle is proposed to derive the equilibrium equations of unified sandwich composite laminated beams. Differential quadrature numerical method (DQNM) is used to discretize the differential equilibrium equations in spatial direction. After that, eigenvalue problem is solved to obtain the buckling loads and associated mode shapes. The proposed model is validated with previous published works and good matching is observed. The numerical results are carried out to show effects of axial load functions, lamination thicknesses, orthotropy and elastic foundation constants on the buckling loads and mode shapes of sandwich composite beam. This model is important in designing of aircrafts and ships when non-uniform compressive load and shear loading is dominated.
In this article, an exact analytical solution for mechanical buckling analysis of symmetrically cross-ply laminated plates including curvature effects is presented. The equilibrium equations are derived according to the refined nth-order shear deformation theory. The present refined nth-order shear deformation theory is based on assumption that the in-plane and transverse displacements consist of bending and shear components, in which the bending components do not contribute toward shear forces and, likewise, the shear components do not contribute toward bending moments The most interesting feature of this theory is that it accounts for a parabolic variation of the transverse shear strains across the thickness and satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factors. Buckling of orthotropic laminates subjected to biaxial inplane is investigated. Using the Navier solution method, the differential equations have been solved analytically and the critical buckling loads presented in closed-form solutions. The sensitivity of critical buckling loads to the effects of curvature terms and other factors has been examined. The analysis is validated by comparing results with those in the literature.
The objective of this work is to present a zeroth-order shear deformation theory for free vibration analysis of functionally graded (FG) nanoscale plates resting on elastic foundation. The model takes into consideration the influences of small scale and the parabolic variation of the transverse shear strains across the thickness of the nanoscale plate and thus, it avoids the employ use of shear correction factors. Also, in this present theory, the effect of transverse shear deformation is included in the axial displacements by using the shear forces instead of rotational displacements as in available high order plate theories. The material properties are supposed to be graded only in the thickness direction and the effective properties for the FG nanoscale plate are calculated by considering Mori-Tanaka homogenization scheme. The equations of motion are obtained using the nonlocal differential constitutive expressions of Eringen in conjunction with the zeroth-order shear deformation theory via Hamilton's principle. Numerical results for vibration of FG nanoscale plates resting on elastic foundations are presented and compared with the existing solutions. The influences of small scale, shear deformation, gradient index, Winkler modulus parameter and Pasternak shear modulus parameter on the vibration responses of the FG nanoscale plates are investigated.
An experimental study is performed in order to catch the characteristics of the flow field at arrested salt wedge, using a rectangular open channel. Arrested salt wedge is generally so stable that the observations are easy, but velocities and interfacial waves are measured with the aid of visualization method, by injection of fluorescent dyes. The density interface, which is defined as the zone of maximum density variation with depth, exists in about 0.5 cm below the visual interface, and vertical density profile is quite well satisfied with Homeborn model. Interfacial layer has high turbulent intensity and its thickness decreases as the overall Richardson number increases and has magnitude of roughly 17% of upper layer. Cross-sectional velocity distribution just shows the influence of a side-wall friction and in the upper layer vertical velocity profile also becomes uniformly as Reynolds number increases, but in the lower layer it shows nearly parabolic type. Supposes that we divide salt wedge into three domains, that is, river mouth, intermediate and tip zone, entertainment coefficient is small at the intermediate zone and large at the river mouth and the tip zone. River mouth or intermediate zone has comparatively stable interface and capillary wave therefore s produced and propagated downstream. On the other hand, tip zone is very unstable, cusping ripple or bursting ripple is then produced incessantly. Arrested salt wedge form is nearly linear and has no relation to densimetric Froude number and Reynolds number.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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