Under thermal environment, Magneto-Electro-Elastic (MEE) material exhibits pyroelectric and pyromagnetic effects which can be used for enhancing the performance of MEE sensors. Recently studies have been published on material constants such as pyroelectric constant and pyromagnetic constant for magneto-electro-thermo-elastic smart composite. Hence, the main aim of this paper is to study the pyroelectric and pyromagnetic effects on behavior of MEE plate under different boundary conditions subjected to uniform temperature. A numerical study is carried out using eight noded brick finite element under uniform temperature rise of 100 K. The study focused on the pyroelectric and pyromagnetic effects on system parameters like displacements, thermal stresses, electric potential, magnetic potential, electric displacements and magnetic flux densities. It is found that, there is a significant increase in electric potential due to the pyroelectric and pyromagnetic effects. These effects are visible on electric and magnetic potentials when CFFC and FCFC boundary conditions are applied. Additionally, the pyroelectric and pyromagnetic effects at free edge is dominant (nearly thrice the value in CFFC in comparison with FCFC) than at middle of the plate. This study is a significant contribution to sensor applications.
A matrix method for evaluating effective electro-magneto-thermo-elastic properties of a generally anisotropic multilayered composite is presented. Physical variables are categorized into two groups: one that satisfies the continuity across the interface between layers and another that satisfies an average inter-layer compatibility (which is also exact). The coupled electro-magneto-thermo-elastic constitutive equation is accordingly reassembled into submatrices, which leads to the derivation of concise and exact matrix expressions for effective properties of a multilayered composite having the coupled physical effects. Comparing the results for a purely elastic multiplayer with those from other theoretical approaches validates the developed method. Examples are given for a PZT-graphite/epoxy composite and a $BaTiO_3-CoFe_2O_4$ multiplayer which exhibit piezo-thermoelastic and magnetoelectric properties, respectively. The result shows how a strong magnetoelectric effect can be achieved by combining piezoelectric and piezomagnetic materials in a multilayered structure. The magnetoelectric coefficient of the $BaTiO_3-CoFe_2O_4$ multiplayer is compared with those for fibrous and particulate composites fabricated with the same constituents.
This disquisition proposes a nonlocal strain gradient beam theory for thermo-mechanical dynamic characteristics of embedded smart shear deformable curved piezoelectric nanobeams made of porous electro-elastic functionally graded materials by using an analytical method. Electro-elastic properties of embedded curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary through the thickness direction of beam according to the power-law which is modified to approximate material properties for even distributions of porosities. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, so in this study thermo-mechanical vibration analysis of curve FG piezoelectric nanobeam by considering the effect of these imperfections is performed. Nonlocal strain gradient elasticity theory is utilized to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field. The governing equations and related boundary condition of embedded smart curved porous FG nanobeam subjected to thermal and electric field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved piezoelectric nanobeam resting on Winkler and Pasternak foundation. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, electric voltage, coefficient of porosity, elastic foundation parameters, thermal effect, gradient index, strain gradient, elastic opening angle and slenderness ratio on the natural frequency of embedded curved FG porous piezoelectric nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play important roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
This article presents a semi-analytical solution for an exponentially graded piezoelectric hollow sphere. The sphere interacts with electric displacement, elastic deformations, electric potentials, magneto-thermo-elasticity, and hygrothermal influences. The hollow sphere may be standing under both mechanical and electric potentials. Electro-magneto-elastic behavior of magnetic field vector can be described in the hollow sphere. All material, thermal and magnetic properties of hollow sphere are supposed to be graded in radial direction. A semi-analytical technique is improved to deduce all fields in which different boundary conditions for radial stress and electric potential are presented. Numerical examples for radial displacement, radial and hoop stresses, and electric potential are investigated. The influence of many parameters is studied. It is seen that the gradation of all material, thermal and magnetic properties has particular effectiveness in many applications of modern technology.
In this study we derive the governing equations of a functionally graded piezoelectric disk, subjected to thermo-electro-mechanical loads. First order shear deformation theory is used for description of displacement field. Principles of minimum potential energy is used to derive governing equations in terms of components of the displacement field and the electric potential. The governing equations are derived for a disk with variable thickness. The numerical results are presented in terms of important parameters of the problem such as profile of variable thickness, in-homogeneous index and other related parameters.
The Micro circular diaphragm (MCD) is the mechanical actuator part used in the micro electro-mechanical sensors (MEMS) that combine electrical and mechanical components. These actuators are working under harsh mechanical and thermal conditions, so it is very important to study the mechanical and thermal behaviors of these actuators, in order to do with its function successfully. The objective of this paper is to determine the thermo-mechanical behavior of MCD by developing the traditional bulge test technique to achieve the aims of this work. The specimen is first pre-stressed to ensure that is no initial deflection before applied the loads on diaphragm and then clamped between two plates, a differential pressure (P) and temperature ($T_b$) is leading to a deformation of the MCD. Analytical formulation of developed bulge test technique for MCD thermo-mechanical characterization was established with taking in-to account effect of the residual strength from pre-stressed loading. These makes the plane-strain bulge test ideal for studying the mechanical and thermal behavior of diaphragm in both the elastic and plastic regimes. The differential specimen thickness due to bulge effect to describe the mechanical behavior, and the temperature effect on the MCD material properties to study the thermal behavior under deformation were discussed. A finite element model (FEM) can be extended to apply for investigating the reliability of the proposed bulge test of MCD and compare between the FEM results and another one from analytical calculus. The results show that, the good convergence between the finite element model and analytical model.
In this paper, an analytical solution of displacement, strain and stress field for rotating thick-walled cylinder made of functionally graded material subjected to the uniform external magnetic field and thermal field in plane strain state has been studied. Stress, strain and displacement field as a function of radial coordinates considering magneto-thermo-elasticity are derived analytically. According to the Maxwell electro-dynamic equations, Lorentz force in term of displacement is obtained in cylindrical coordinates. Also, symmetric temperature distribution along the thickness of hollow cylinder is obtained by solving Fourier heat transfer equation in cylindrical coordinates. Using equation of equilibrium and thermo-mechanical constitutive equations associated with Lorentz force, a second-order inhomogeneous differential equation in term of displacement is obtained and will be solved analytically. Except Poisson's ratio, other mechanical properties such as elasticity modulus, density, magnetic permeability coefficient, heat conduction coefficient and thermal expansion coefficient are assumed to vary through the thickness according to a power law. In results analysis, non-homogeneity parameter has been chosen arbitrary and inner and outer surface of cylinder are assumed to be rich metal and rich ceramic, respectively. The effect of rotation, thermal, magnetic field and non-homogeneity parameter of functionally graded material which indicates percentages of cylinder's constituents are studied on displacement, Von Mises equivalent stress and Von Mises equivalent strain fields.
The optimization for dynamic response associated with a cylindrical shell which is made of laminated composites embedded in a piezoelectric layer which is subjected to temperature rises and is resting on an elastic foundation is investigated for the first time. The first shear order theory (FSDT) is utilized in order to obtain the strain relations of the shell. Then, using the energy method, the equations of motions as well as boundary condition of the problem are attained. The formulation of this study together with the solution procedure which is a numerical solution method, differential quadrature method (DQM) is validated using other researches. This paper presents a thorough study on the parameters which impacts the vibration frequency of the laminated shell. The results of this paper shows that any type of laminated composite shell can reduce the vibration frequency providing that the angle related to layer are higher than 85 degrees. Also, in order to reduce the effect of temperature rises, the laminated composites instead of orthotropic one can be used.
The aim of current work is to evaluate thermo-electrical characteristics of graphene nanoplatelets Reinforced Composite (GNPRC) coupled with magneto-electro-elastic (MEE) face sheet. In this regard, a cylindrical smart nanocomposite made of GNPRC with an external MEE layer is considered. The bonding between the layers are assumed to be perfect. Because of the layer nature of the structure, the material characteristics of the whole structure is regarded as graded. Both mechanical and thermal boundary conditions are applied to this structure. The main objective of this work is to determine critical temperature and critical voltage as a function of thermal condition, support type, GNP weight fraction, and MEE thickness. The governing equation of the multilayer nanocomposites cylindrical shell is derived. The generalized differential quadrature method (GDQM) is employed to numerically solve the differential equations. This method is integrated with Deep Learning Network (DNN) with ADADELTA optimizer to determine the critical conditions of the current sandwich structure. This the first time that effects of several conditions including surrounding temperature, MEE layer thickness, and pattern of the layers of the GNPRC is investigated on two main parameters critical temperature and critical voltage of the nanostructure. Furthermore, Maxwell equation is derived for modeling of the MEE. The outcome reveals that MEE layer, temperature change, GNP weight function, and GNP distribution patterns GNP weight function have significant influence on the critical temperature and voltage of cylindrical shell made from GNP nanocomposites core with MEE face sheet on outer of the shell.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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