One of the major benefits of the pre-stressed concrete pavements is the omission of tension in concrete that results in a reduction of cracks in the concrete slabs. Therefore, the life of the pavement is increased as the thickness of the slabs is reduced. One of the most important issues in dealing with the prestressed concrete pavement is determination of the magnitude of the pre-stress. Three dimensional finite element analyses are conducted in this research to study the pre-stress under various load (Boeing 777) and thermal gradient combinations. The model was also analyzed under temperature gradients without the presence of traffic loading and the induced stresses were compared with those from theoretical relationships. It was seen that the theoretical relationships result in conservative values for the stress.
This paper is a study of recovery under load process of superconducting fault current limiter (SFCL). SFCL consists of five parallel-connected high-temperature superconductor (HTS) tapes additionally stabilized by stainless tape. Previously, HTS was heated by current pulse to simulate a short circuit in a power grid. During the cooling period, the current amplitude decreased to 23% or less of HTS critical current value, which is the simulation of network re-switching. When HTS with a polymer coating is cooled, temperature gradient on thermal insulation layer occurs, that prevents a boiling crisis and improves the heat sink into liquid nitrogen. Two samples are coated with a 30 ㎛ and 50 ㎛ polylactide (PLA) layers, reference sample has no polymer coating on it. Samples with a polymer coating show 3-5 times faster cooling than the reference one.
Current paper deals with thermoelastic static and free vibrational behaviors of axisymmetric thick cylinders reinforced with functionally graded (FG) randomly oriented graphene subjected to internal pressure and thermal gradient loads. The heat transfer and mechanical analyses of randomly oriented graphene-reinforced nanocomposite (GRNC) cylinders are facilitated by developing a weak form mesh-free method based on moving least squares (MLS) shape functions. Furthermore, in order to estimate the material properties of GRNC with temperature dependent components, a modified Halpin-Tsai model incorporated with two efficiency parameters is utilized. It is assumed that the distributions of graphene nano-sheets are uniform and FG along the radial direction of nanocomposite cylinders. By comparing with the exact result, the accuracy of the developed method is verified. Also, the convergence of the method is successfully confirmed. Then we investigated the effects of graphene distribution and volume fraction as well as thermo-mechanical boundary conditions on the temperature distribution, static response and natural frequency of the considered FG-GRNC thick cylinders. The results disclosed that graphene distribution has significant effects on the temperature and hoop stress distributions of FG-GRNC cylinders. However, the volume fraction of graphene has stronger effect on the natural frequencies of the considered thick cylinders than its distribution.
Because of sandwich structures with low weight and high stiffness have much usage in various industries such as civil and aerospace engineering, in this article, buckling and free vibration analyses of coupled micro composite sandwich plates are investigated based on sinusoidal shear deformation (SSDT) and most general strain gradient theories (MGSGT). It is assumed that the sandwich structure rested on an orthotropic elastic foundation and make of four composite face sheets with temperature-dependent material properties that they reinforced by carbon and boron nitride nanotubes and two flexible transversely orthotropic cores. Mathematical formulation is presented using Hamilton's principle and governing equations of motions are derived based on energy approach and applying variation method for simply supported edges under electro-magneto-thermo-mechanical, axial buckling and pre-stresses loadings. In order to predict the effects of various parameters such as material length scale parameter, length to width ratio, length to thickness ratio, thickness of face sheets to core thickness ratio, nanotubes volume fraction, pre-stress load and orthotropic elastic medium on the natural frequencies and critical buckling load of double-bonded micro composite sandwich plates. It is found that orthotropic elastic medium has a special role on the system stability and increasing Winkler and Pasternak constants lead to enhance the natural frequency and critical buckling load of micro plates, while decrease natural frequency and critical buckling load with increasing temperature changes. Also, it is showed that pre-stresses due to help the axial buckling load causes that delay the buckling phenomenon. Moreover, it is concluded that the sandwich structures with orthotropic cores have high stiffness, but because they are not economical, thus it is necessary the sandwich plates reinforce by carbon or boron nitride nanotubes specially, because these nanotubes have important thermal and mechanical properties in comparison of the other reinforcement.
In order to increase thrust of the space launch vehicle, liquid oxygen as an oxidizer and kerosene or liquid hydrogen as a fuel are generally used. The oxidizer tank and fuel tanks are manufactured by composite materials such as CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) to increase pay load. The thermal stress of the cryogenic propellant tank should be considered because it has large temperature gradient. In this study, to confirm the design integrity of the oxidizer tank of liquid oxygen, a numerical analysis was conducted on the thermal stress and temperature distribution of the tank for various charging speed of the cryogenic fluid from 100 ~ 900 LPM taking into account the evaporation rate of the liquid nitrogen by convective heat transfer outside the tank and boiling heat transfer inside the tank. The thermal stress was also calculated coupled with the temperature distribution of the CFRP tank. Based on the analysis results, the charging speed of the LN2 can majorly affects the charging time and the resultant thermal stress.
In this article, static, buckling and free vibration analyses of a sinusoidal micro composite beam reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) with considering temperature-dependent material properties embedded in an elastic medium in the presence of magnetic field under transverse uniform load are presented. This system is used at micro or sub micro scales to enhance the stiffness of micro composite structures such as bar, beam, plate and shell. In the present work, the size dependent effects based on surface stress effect and modified strain gradient theory (MSGT) are considered. The generalized rule of mixture is employed to predict temperature-dependent mechanical and thermal properties of micro composite beam. Then, the governing equations of motions are derived using Hamilton's principle and energy method. Numerical results are presented to investigate the influences of material length scale parameters, elastic foundation, composite fiber angle, magnetic intensity, temperature changes and carbon nanotubes volume fraction on the bending, buckling and free vibration behaviors of micro composite beam. There is a good agreement between the obtained results by this research and the literature results. The obtained results of this study demonstrate that the magnetic intensity, temperature changes, and two parameters elastic foundations have important effects on micro composite stiffness, while the magnetic field has greater effects on the bending, buckling and free vibration responses of micro composite beams. Moreover, it is shown that the effects of surface layers are important, and observed that the changes of carbon nanotubes volume fraction, beam length-to-thickness ratio and material length scale parameter have noticeable effects on the maximum deflection, critical buckling load and natural frequencies of micro composite beams.
This paper focuses on thermal post-buckling analysis of functionally graded beams with temperature dependent physical properties by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. Material properties of the beam change in the thickness direction according to a power-law function. The beam is clamped at both ends. In the case of beams with immovable ends, temperature rise causes compressible forces and therefore buckling and post-buckling phenomena occurs. It is known that post-buckling problems are geometrically nonlinear problems. Also, the material properties (Young's modulus, coefficient of thermal expansion, yield stress) are temperature dependent: That is the coefficients of the governing equations are not constant in this study. This situation suggests the physical nonlinearity of the problem. Hence, the considered problem is both geometrically and physically nonlinear. The considered highly non-linear problem is solved considering full geometric non-linearity by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. In this study, the differences between temperature dependent and independent physical properties are investigated for functionally graded beams in detail in post-buckling case. With the effects of material gradient property and thermal load, the relationships between deflections, critical buckling temperature and maximum stresses of the beams are illustrated in detail in post-buckling case.
Xu, Chen;Jing-Lei, Zhao;Gui-Lin, She;Yan, Jing;Hua-Yan, Pu;Jun, Luo
Steel and Composite Structures
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제45권5호
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pp.641-652
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2022
Fluid-conveying tubes are widely used to transport oil and natural gas in industries. As an advanced composite material, functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTRC) have great potential to empower the industry. However, nonlinear free vibration of the FG-CNTRC fluid-conveying pipe has not been attempted in thermal environment. In this paper, the nonlinear free vibration characteristic of functionally graded nanocomposite fluid-conveying pipe reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWNTs) in thermal environment is investigated. The SWCNTs gradient distributed in the thickness direction of the pipe forms different reinforcement patterns. The material properties of the FG-CNTRC are estimated by rule of mixture. A higher-order shear deformation theory and Hamilton's variational principle are employed to derive the motion equations incorporating the thermal and fluid effects. A two-step perturbation method is implemented to obtain the closed-form asymptotic solutions for these nonlinear partial differential equations. The nonlinear frequencies under several reinforcement patterns are presented and discussed. We conduct a series of studies aimed at revealing the effects of the flow velocity, the environment temperature, the inner-outer diameter ratio, and the carbon nanotube volume fraction on the nature frequency.
The flow and heat/mass transfer characteristics on the squealer tip surface of a high-turning turbine rotor blade have been investigated at a Reynolds number of $2.09{\times}10^5$, by employing the oil-film flow visualization and naphthalene sublimation technique. The squealer rim height-to-chord ratio and tip gap height-to-chord ratio are fixed as typical values of $h_{st}/c$ = 5.5% and h/c = 2.0%, respectively, for turbulence intensities of Tu = 0.3% and 15%. The results show that the near-wall flow phenomena within the cavity of the squealer tip are totally different from those over the plane tip. There are complicated backward flows from the suction side to the pressure side near the cavity floor, in contrast to the plane tip gap flows moving toward the suction side after flow separation/reattachment. The squealer tip provides a significant reduction in tip surface thermal load with less severe gradient compared to the plane tip. In this study, the tip surface is divided into six different regions, and transport phenomena at each region are discussed in detail. The mean thermal load averaged over the squealer cavity floor is augmented by 7.5 percents under the high inlet turbulence level.
Reliability-based design limit states and associated partial load factors provide a consistent level of design safety across bridge types and members. However, limit states in the current AASHTO LRFD have not been developed explicitly for the situation encountered by integral abutment bridges (IABs) that have unique boundary conditions and loads with inherent uncertainties. Therefore, new reliability-based limit states for IABs considering the variability of the abutment support conditions and thermal loading must be developed to achieve IAB designs that achieve the same safety level as other bridge designs. Prestressed concrete girder bridges are considered in this study and are subjected to concrete time-dependent effects (creep and shrinkage), backfill pressure, temperature fluctuation and temperature gradient. Based on the previously established database for bridge loads and resistances, reliability analyses are performed. The IAB limit states proposed herein are intended to supplement current AASHTO LRFD limit states as specified in AASHTO LRFD Table 3.4.1-1.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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