A new piezoceramic $d_{15}$ shear-induced torsion actuation mechanism representative benchmark is proposed and its experimentations and corresponding 3D finite element (FE) simulations are conducted. For this purpose, a long and thin smart sandwich cantilever beam is dimensioned and built so that it can be used later for either validating analytical Saint Venant-type solutions or for analyzing arm or blade-based smart structures and systems applications. The sandwich beam core is formed by two adjacent rows of 8 oppositely axially polarized d15 shear piezoceramic patches, and its faces are dimensionally identical and made of the same glass fiber reinforced polymer composite material. Quasi-static and static experimentations were made using a point laser sensor and a scanning laser vibrometer, while the 3D FE simulations were conducted using the commercial software $ABAQUS^{(R)}$. The measured transverse deflection by both sensors showed strong nonlinear and hysteretic (static only) variation with the actuation voltage, which cannot be caught by the linear 3D FE simulations.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.13
no.2
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pp.229-237
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2012
In this study, the failure mechanism of sandwich-to-laminate T-joints under pull-off loading was investigated by experiment and the finite element method. A total of 26 T-joint specimens were manufactured and tested in order to investigate the effects of both adhesive thickness (0.4, 2.0, and 4.0 mm) and environmental conditions on the failure of the joints. The results showed that failure occurred mainly as intralaminar failure in the first layer of the sandwich face, which was contacted to the paste adhesive. The failure load did not significantly change with increasing adhesive thickness in both RTD (Room Temperature and Dry) and ETW (Elevated Temperature and Wet) conditions. In the case of ETW conditions, however, the failure load increased slightly with an increase in adhesive thickness. The joints tested in ETW conditions had higher failure loads than those tested in RTD conditions. In addition to the experiment, a finite element analysis was also conducted to investigate the failure of the joint. The stress inside the first ply of the sandwich face was of interest because during the experiment, failure always occurred there. The analysis results showed good agreement with the trend of experimental results, except for the case of the smallest adhesive thickness. The highest stress was predicted in the regions where initial failure was observed in the experiment. The maximum stress was almost constant when the adhesive thickness was beyond 2 mm.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.2
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pp.250-263
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2001
The up and down speed of heddle frames that produce woven cloth by insertion of weft yarns between warp yarns has been increased recently much for productivity improvement, which induces higher inertial stresses and vibrations in the heddle frame. the heddle frame is required to reduce its mass because the heddle frame contributes the major portion of the stresses in the heddle frames during accelerating and decelerating. Conventional aluminum heddle frames have fatigue life of around 5 months at 550rpm due to their low fatigue flexural strength as well as low bending stiffness. In this work, since carbon/epoxy composite materials have high specific fatigue strength(S/p), high specific modulus(E/p), high damping capacity and sandwich construction results in lower deflections and higher buckling resistance, the sandwich structure composed of carbon/epoxy composite skins and polyurethane foam were employed for the high-speed heddle frame. The design map for the sandwich beams was accomplished to determine the optimum thickness and the stacking sequences for the heddle frames. Also the effects of the number of ribs on the stress of the heddle frame were investigated by FEM analyses. Finally, the high-speed heddle frames were manufactured with sandwich structures and the static and dynamic properties of the aluminum and the composite heddle frames were tested and compared with each other.
The novelty of this work is the use of a new displacement field that includes undetermined integral terms for analyzing thermal buckling response of functionally graded (FG) sandwich plates. The proposed kinematic uses only four variables, which is even less than the first shear deformation theory (FSDT) and the conventional higher shear deformation theories (HSDTs). The theory considers a trigonometric variation of transverse shear stress and verifies the traction free boundary conditions without employing the shear correction factors. Material properties of the sandwich plate faces are considered to be graded in the thickness direction according to a simple power-law variation in terms of the volume fractions of the constituents. The core layer is still homogeneous and made of an isotropic material. The thermal loads are assumed as uniform, linear and non-linear temperature rises within the thickness direction. An energy based variational principle is employed to derive the governing equations as an eigenvalue problem. The validation of the present work is checked by comparing the obtained results the available ones in the literature. The influences of aspect and thickness ratios, material index, loading type, and sandwich plate type on the critical buckling are all discussed.
Arefi, Mohammad;Pourjamshidian, Mahmoud;Arani, Ali Ghorbanpour
Steel and Composite Structures
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v.32
no.2
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pp.157-171
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2019
In this research, the dynamic instability region (DIR) of the sandwich nano-beams are investigated based on nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) and various higher order shear deformation beam theories (HSDBTs). The sandwich piezoelectric nano-beam is including a homogenous core and face-sheets reinforced with functionally graded (FG) carbon nanotubes (CNTs). In present study, three patterns of CNTs are employed in order to reinforce the top and bottom face-sheets of the beam. In addition, different higher-order shear deformation beam theories such as trigonometric shear deformation beam theory (TSDBT), exponential shear deformation beam theory (ESDBT), hyperbolic shear deformation beam theory (HSDBT), and Aydogdu shear deformation beam theory (ASDBT) are considered to extract the governing equations for different boundary conditions. The beam is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Visco-Pasternak foundation. Hamilton principle is used to derive the governing equations of motion based on various shear deformation theories. In order to analysis of the dynamic instability behaviors, the linear governing equations of motion are solved using differential quadrature method (DQM). After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various shear deformation theories, nonlocal parameter, strain gradient parameter, the volume fraction of the CNTs, various distributions of the CNTs, different boundary conditions, dimensionless geometric parameters, Visco-Pasternak foundation parameters, applied voltage and temperature change on the dynamic instability characteristics of sandwich piezoelectric nano-beam.
This paper deals with free vibration of FG sandwich annular sector plates on Pasternak elastic foundation with different boundary conditions, based on the three-dimensional theory of elasticity. The plates with simply supported radial edges and arbitrary boundary conditions on their circular edges are considered. The influence of carbon nanotubes (CNTs) waviness, aspect ratio, internal pores and graphene platelets (GPLs) on the vibrational behavior of functionally graded nanocomposite sandwich plates is investigated in this research work. The distributions of CNTs are considered functionally graded (FG) or uniform along the thickness of upper and bottom layers of the sandwich sectorial plates and their mechanical properties are estimated by an extended rule of mixture. In this study, the classical theory concerning the mechanical efficiency of a matrix embedding finite length fibers has been modified by introducing the tube-to-tube random contact, which explicitly accounts for the progressive reduction of the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The core of structure is porous and the internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix of core either uniformly or non-uniformly according to three different patterns. The elastic properties of the nanocomposite are obtained by employing Halpin-Tsai micromechanics model. A semi-analytic approach composed of 2D-Generalized Differential Quadrature Method (2D-GDQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. Some new results for the natural frequencies of the plate are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
In this paper, an analytical solution for thermodynamic response of functionally graded (FG) sandwich plates resting on variable elastic foundation is performed by using a quasi 3D shear deformation plate theory. The displacement field used in the present study contains undetermined integral terms and involves only four unknown functions with including stretching effect. The FG sandwich plate is considered to be subject to a time harmonic sinusoidal temperature field across its thickness with any combined boundary conditions. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. The numerical results are compared with the existing results of quasi-3D shear deformation theories and an excellent agreement is observed. Several numerical examples for fundamental frequency, deflection, stress and variable elastic foundation parameter's analysis of FG sandwich plates are presented and discussed considering different material gradients, layer thickness ratios, thickness-to-length ratios and boundary conditions. The results of the present study reveal that the nature of the elastic foundation, the boundary conditions and the thermodynamic loading affect the response of the FG plate especially in the case of a thick plate.
In this paper, the dynamic response of a simply-supported composite sandwich plate with a viscoelastic core based on the Golla-Hughes-McTavish (GHM) viscoelastic model is investigated analytically. The formulation is developed using the three-layered sandwich panel theory. Hamilton's principle has been employed to derive the equations of motion. Since classical models, like kelvin-voigt and Maxwell models, cannot express a comprehensive description of the dynamic behavior of viscoelastic material, the GHM method is used to model the viscoelastic core of the plate in this research. The main advantage of the GHM model in comparison with classical models is the consideration of the frequency-dependent characteristic of viscoelastic material. Identification of the material parameters of GHM mini-oscillator terms is an essential procedure in applying the GHM model. In this study, the focus of viscoelastic modeling is on the development of GHM parameters identification. For this purpose, a new method is proposed to find these constants which express frequency-dependent behavior characterization of viscoelastic material. Natural frequencies and loss factors of the sandwich panel based on ESL and three-layered theories in different geometrics are described at 30℃ and 90℃; also, the comparisons show that obtained natural frequencies are grossly overestimated by ESL theory. The argumentations of differences in natural frequencies are also illustrated in detail. The obtained results show that the GHM model presents a more accurate description of the plate's dynamic response by considering the frequency dependency behavior of the viscoelastic core.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.13
no.11
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pp.1156-1164
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2001
This study aims to suggest envelope structure which can improve the insulation performance of cold storage warehouse with cost effectiveness. Envelope structures are classified and economical efficiency of each type is evaluated to the model warehouse. As results, type 3 (PC wall) and 4(sandwich panel wall) have benefits to the middle/large (lifetime of 25 years) and small (lifetime of 12∼13 years) warehouse, respectively.
There are several ways of decreasing the vibration energy of structures. One of which is special damping layers made of various viscoelastic materials are widely applied in structures subjected to dynamic loading. In this study, a cantilever beam, partially covered by damping a constraining layers, is investigated by using Finite Element method (FEM). The frequency and system loss factor are evaluated. The effects of different physical and geometrical parameters on the natural frequency and system loss factors are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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