Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.11
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pp.3655-3665
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1996
An analytical solution is presented for the conduction-dominated solidification of a binary mixture in a semi-infinite medium. The present approach differs from that of other solution by these four characteristics. (1) Solid fraction is determined from the phase diagram, (2) thermophysical properties in mushy zone are weighted according to the local solid fraction, (3) non-equilibrium solidification can be simulated and (4) the cooling condition of under-eutectic temperature can be simulated. Up to now, almost all analyses are based on the assumption of constant properties in mushy zone and solid fraction linearly with temperature or length. The validation for these assumptions, however, shows that serious error is found except some special cases. The influence of microscopic model on the macroscopic temperature profile is very small and can be ignored. But the solid fraction and average solid concentration which directly influence the quality of materials are drastically changed by the microscopic models. An approximate solution using the method of weighted residuals is also introduced and shows good agreement with the analytical solution. All calculations are performed for NH$_{4}$Cl-H$_{2}$O and Al-Cu system.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.9
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pp.1441-1451
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1997
This paper addresses method which can be used for analyzing thermal stresses of a functionally graded material(FGM) using semi-analytical approach. FGM is a nonhomogeneous material whose composition changes continuously from a metal surface to a ceramic surface. An infinite one dimensional FGM plate is considered. The temperature distribution in the FGM is obtained by approximate Green's function solution. To expedite the convergence of the solutions, alternative Green's function solution is derived and shows good agreement with results from finite difference method. Thermal stresses are calculated using temperature distribution of the plate.
Analytical formulae are presented to approximate the evolution of the semi major axis, the maneuver time, and the final mass fraction for low thrust orbital transfers with circular initial orbit, circular target orbit, and constant thrust directed either always along or always opposite the velocity vector. For comparison, the associated results for high-thrust transfers, i.e. the two-impulse Hohmann transfer, are summarized. All results are implemented in a computer code designed to analyze planar planetary and interplanetary space missions. This implementation yields fast and reasonably accurate approximations to trajectory performance boundaries. Consequently, the approach can provide trajectory analysis for each spacecraft configuration during the conceptual space mission design phase. As an example, a mission from Low-Earth Orbit (LEO) to Jupiter's moon Europa is analyzed.
In this research, an approach combining a semi-analytical method and an analytical method is presented to investigate the static and dynamic post-buckling behavior of the sandwich functionally graded (FG) porous cylindrical shells exposed to external pressure. The sandwich cylindrical shell considered is composed of a viscoelastic core and two FG porous (FGP) face layers. The viscoelastic core is made of Kelvin-Voigt-type material. The material properties of the FG porous face layer are considered continuous through each face thickness according to a porosity coefficient and a volume fraction index. Two types of sandwich FG porous viscoelastic cylindrical shells named Type A and Type B are considered in the research. Type A shell has the porosity evenly distributed across the thickness direction, and Type B has the porosity unevenly distributes across the thickness direction. The FG face layers are considered in two cases: outside metal surface, inside ceramic surface (OMS-ICS), and inside metal surface, outside ceramic surface (IMS-OCS). According to Donnell shell theory, von-Karman equation, and Galerkin's method, a discretized nonlinear governing equation is derived for analyzing the behavior of the shells. The explicit expressions for static and dynamic critical buckling loading are thus developed. To study the dynamic buckling of the shells, the governing equation is examined via a numerical approach implementing the fourth-order Runge-Kutta method. With a procedure presented by Budiansky-Roth, the critical load for dynamic post-buckling is obtained. The effects of various parameters, such as material and geometrical parameters, on the post-buckling behaviors are investigated.
Two unknown values among three electrochemical values, i.e. electrode area, diffusion coefficient, and concentration, are simultaneously obtained by nonlinear regression analysis of a single chronoamperometric faradaic current curve at a microdisk electrode. The approach is an analytical application of the semi-empirical equation presented by Shoup and Szabo for the chronoamperometric response at a disk electrode. To demonstrate the usefulness and accuracy of this approach, the chronoamperometric current at a platinum disk electrode of 50 ${\mu}m$ radius in solutions of $Ru(NH_3)_6^{3+},\;ferrocene,\;Fe(CN)_6^{3-},\;and\;C_{60}$, were analyzed.
Most of the early studies on plates vibration are focused on two-dimensional theories, these theories reduce the dimensions of problems from three to two by introducing some assumptions in mathematical modeling leading to simpler expressions and derivation of solutions. However, these simplifications inherently bring errors and therefore may lead to unreliable results for relatively thick plates. The main objective of this research paper is to present 3-D elasticity solution for free vibration analysis of continuously graded carbon nanotube-reinforced (CGCNTR) rectangular plates resting on two-parameter elastic foundations. The volume fractions of oriented, straight single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are assumed to be graded in the thickness direction. In this study, an equivalent continuum model based on the Eshelby-Mori-Tanaka approach is employed to estimate the effective constitutive law of the elastic isotropic medium (matrix) with oriented, straight carbon nanotubes (CNTs). The proposed rectangular plates have two opposite edges simply supported, while all possible combinations of free, simply supported and clamped boundary conditions are applied to the other two edges. The formulations are based on the three-dimensional elasticity theory. A semi-analytical approach composed of differential quadrature method (DQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. The fast rate of convergence of the method is demonstrated and comparison studies are carried out to establish its very high accuracy and versatility. The 2-D differential quadrature method as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. The convergence of the method is demonstrated and to validate the results, comparisons are made between the present results and results reported by well-known references for special cases treated before, have confirmed accuracy and efficiency of the present approach. The novelty of the present work is to exploit Eshelby-Mori-Tanaka approach in order to reveal the impacts of the volume fractions of oriented CNTs, different CNTs distributions, various coefficients of foundation and different combinations of free, simply supported and clamped boundary conditions on the vibrational characteristics of CGCNTR rectangular plates. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
In this study, for development of the MDO (Multi Disciplinary Optimization) framework, the flight dynamic characteristic parameters of the ChangGong-91, a light aircraft, were extracted by an analytical method based on various semi-empirical methods, and the flight test method was compared and evaluated. The semi-empirical analysis methods for comparative subjects were the Perkins method, McCormick method, and Smetana method. The major stability/control derivatives and dynamic factors were calculated, using each method. As the comparison criteria, the flight test derivative estimates and dynamic factors were processed, using the output error method. Additionally, the flight characteristics of the light aircraft were analyzed and evaluated according to the provisions of the Korean Airworthiness Standard (KAS) of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport, and MIL-F-8785C for the U.S. military.
Du, Mengjie;Liu, Jun;Ye, Wenbin;Yang, Fan;Lin, Gao
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.2
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pp.179-194
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2022
The bending, buckling and free vibration responses of functionally graded material (FGM) beams are investigated semi-analytically by the scaled boundary finite element method (SBFEM) in this paper. In the concepts of the SBFEM, the dimension of computational domain can be reduced by one, therefore only the axial dimension of the beam is discretized using the higher order spectral element, which reduces the amount of calculation and greatly improves the calculation efficiency. The governing equation of FGM beams is derived in detail by the means of the principle of virtual work. Compared with the higher-order beam theory, fewer parameters and simpler control equations are used. And the governing equation is transformed into a first-order ordinary differential equation by introducing intermediate variables. Analytical solutions of the governing equation can be obtained by pade series expansion in the direction of thickness. Numerical example are compared with the numerical solutions provided by the previous researchers to verify the accuracy and applicability of the proposed method. The results show that the proposed formulations can quickly converge to the reference solutions by increasing the order of higher order spectral elements, and high accuracy can be achieved by using a small number of the elements. In addition, the influence of the structural sizes, material properties and boundary conditions on the mechanical behaviors of FG beams subjected to different load types is discussed.
Aseel J. Mohammed;Bassam A. Mohammed;Hatam K. Kadhom;Anmar Ghanim Taki;Vahid Tahouneh
Advances in nano research
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v.17
no.4
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pp.301-313
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2024
The main objective of this paper is to study vibration of sandwich cylindrical shell with damaged core and FG face sheets resting on a two-parameter elastic foundation based on three-dimensional theory of elasticity. Three complicated equations of motion for the structure under consideration are semi-analytically solved by using generalized differential quadrature method. The structures are made of a damaged isotropic core and two external face sheets. These skins are strengthened at the nanoscale level by randomly oriented Carbon nanotubes (CNTs) and are reinforced at the microscale stage by oriented straight fibers. These reinforcing phases are included in a polymer matrix and a three-phase approach based on the Eshelby-Mori-Tanaka scheme and on the Halpin-Tsai approach, which is developed to compute the overall mechanical properties of the composite material. Several parametric analyses are carried out to investigate the mechanical behavior of these multi-layered structures depending on the damage features. A detailed parametric study is carried out in order to reveal the effects of different profiles of two-parameter elastic foundation modulus, different geometrical parameters such as the mid radius-to-thickness ratio, length-to-mean radius ratio and the thickness of face sheets on the vibrational characteristics of the damaged functionally graded sandwich cylindrical shell.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.4
no.6
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pp.247-259
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1996
Kinematic design sensitivity analysis for vehicle in suspension systems design is performed. Suspension systems are modeled using composite joins to reduce the number of the constraint equations. This allows a semi-analytical approach that is computerized symbolic manipulation before numerical computations and that may compensate for their drawbacks. All the constraint equations including design variables are derived in symbolic equations for sensitivity analysis. By directly differentiating the equations with respect to design variables, sensitivity equations are obtained. Since the proposed method only requires the hard point data, sensitivity analysis is possible in suspension design stage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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