Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.10
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pp.1609-1618
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1997
Thermo-mechanical behaviors of polymer matrix composite(PMC) with continuous TiNi fiber are studied using theoretical analysis with 1-D analytical model and numerical analysis with 2-D multi-fiber finite element(FE) model. It is found that both compressive stress in matrix and tensile stress in TiNi fiber are the source of strengthening mechanisms and thermo-mechanical coupling. Thermal expansion of continuous TiNi fiber reinforced PMC has been compared with various mechanical behaviors as a function of fiber volume fraction, degree of pre-strain and modulus ratio between TiNi fiber and polymer matrix. Based on the concept of so-called shape memory composite(SMC) with a permanent shape memory effect, the critical modulus ratio is determined to obtain a smart composite with no or minimum thermal deformation. The critical modulus ratio should be a major factor for design and manufacturing of SMC.
A prediction method for determining the welding residual stress by artificial neural network is proposed. A three-dimensional transient thermo-mechanical analysis has been performed for the $CO_2$ arc welding using the finite element method. The first part of numerical analysis performs a three-dimensional transient heat transfer analysis, and the second part then uses the results of the first part and performs a three-dimensional transient thermo-elastic-plastic analysis to compute transient and residual stresses in the weld. Data from the finite element method are used to train a back propagation neural network to predict the residual stress. Architecturally, the fully interconnected network consists of an input layer for the voltage and current, a hidden layer to accommodate the failure mechanism mapping, and an output layer for the residual stress. The trained network is then applied to the prediction of residual stress in the four specimens. It is concluded that the accuracy of the neural network predicting method is fully comparable with the accuracy achieved by the traditional predicting method.
In this paper thermo-mechanical vibration analysis of a porous functionally graded (FG) Timoshenko beam in thermal environment with various boundary conditions are performed by employing a semi analytical differential transform method (DTM) and presenting a Navier type solution method for the first time. The temperature-dependent material properties of FG beam are supposed to vary through thickness direction of the constituents according to the power-law distribution which is modified to approximate the material properties with the porosity phases. Also the porous material properties vary through the thickness of the beam with even and uneven distribution. Two types of thermal loadings, namely, uniform and linear temperature rises through thickness direction are considered. Derivation of equations is based on the Timoshenko beam theory in order to consider the effect of both shear deformation and rotary inertia. Hamilton's principle is applied to obtain the governing differential equation of motion and boundary conditions. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of several parameters such as porosity distributions, porosity volume fraction, thermal effect, boundary conditions and power-low exponent on the natural frequencies of the FG beams in detail. It is explicitly shown that the vibration behavior of porous FG beams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve benchmarks for future analyses of FG beams with porosity phases.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.21
no.4
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pp.53-59
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2022
In this study, an enhanced first-order shear deformation theory is proposed to efficiently and accurately predict the thermo-mechanical-viscoelastic coupled behavior of laminated composite structures. To this end, transverse shearstress and displacement fields are independently assumed, and the strain-energy relationship between these fields issystematically established using the mixed variational theorem (MVT). In MVT, the transverse shear stress fields are obtained from the third-order zigzag model, whereas the displacement fields of the conventional first-order model are considered to amplify the benefits of numerical efficiency. Additionally, a transverse displacement field with a smooth parabolic distribution is introduced to accurately predict the thermal behavior of composite structures. Furthermore, the concept of Laplace transformation is newly employed to simplify the viscoelastic problem, similar to the linear-elastic problem. To demonstrate the performance of the proposed theory, the numerical results obtained herein were compared with those available in the literature.
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.
TSV technology raises several reliability concerns particularly caused by thermally induced stress. In traditional package, the thermo-mechanical failure mostly occurs as a result of the damage in the solder joint. In TSV technology, however, the driving failure may be TSV interconnects. In this study, the thermomechanical reliability of TSV technology is investigated using finite element method. Thermal stress and thermal fatigue phenomenon caused by repetitive temperature cycling are analyzed, and possible failure locations are discussed. In particular, the effects of via size, via pitch and bonding pad on thermo-mechanical reliability are investigated. The plastic strain generally increases with via size increases. Therefore, expected thermal fatigue life also increase as the via size decreases. However, the small via shows the higher von Mises stress. This means that smaller vias are not always safe despite their longer life expectancy. Therefore careful design consideration of via size and pitch is required for reliability improvement. Also the bonding pad design is important for enhancing the reliability of TSV structure.
The present paper develops piezo-thermo-elastic analysis of a thick spherical shell for generalized functionally graded piezoelectric material. The assumed structure is loaded under thermal, electrical and mechanical loads. The mechanical, thermal and electrical properties are graded along the radial direction based on a power function with three different non homogenous indexes. Primarily, the non homogenous heat transfer equation is solved by applying the general boundary conditions, individually. Substitution of stress, strain, electrical displacement and material properties in equilibrium and Maxwell equations present two non homogenous differential equation of order two. The main objective of the present study is to improve the relations between mechanical and electrical loads in hollow spherical shells especially for functionally graded piezoelectric materials. The obtained results can evaluate the effect of every non homogenous parameter on the mechanical and electrical components.
On-line electric vehicle (OLEV) is a new eco-friendly transportation system that collects electricity from a power cable buried beneath the road surface, allowing the system to resolve various problems associated with batteries in electric vehicles. This paper presents a finite element (FE) based thermo-mechanical analysis of precast concrete structures that are utilized in the OLEV system. An experimental study is also conducted to identify materials used for a joint filler, and the observed experimental results are applied to the FE analysis. Traffic loading and boundary conditions are modeled in accordance with the related standards and environmental characteristics of a road system. A series of structural analyses concerning various test scenarios are conducted to investigate the sensitivity of design parameters and to evaluate the structural performance of the road system.
Isavand, S.;Bodaghi, M.;Shakeri, M.;Mohandesi, J. Aghazadeh
Steel and Composite Structures
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v.18
no.1
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pp.1-28
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2015
In this paper, the dynamic response of functionally gradient steel (FGS) composite cylindrical panels in steady-state thermal environments subjected to impulsive loads is investigated for the first time. FGSs composed of graded ferritic and austenitic regions together with bainite and martensite intermediate layers are analyzed. Thermo-mechanical material properties of FGS composites are predicted according to the microhardness profile of FGS composites and approximated with appropriate functions. Based on the three-dimensional theory of thermo-elasticity, the governing equations of motionare derived in spatial and time domains. These equations are solved using the hybrid Fourier series expansion-Galerkin finite element method-Newmark approach for simply supported boundary conditions. The present solution is then applied to the thermo-elastic dynamic analysis of cylindrical panels with three different arrangements of material compositions of FGSs including ${\alpha}{\beta}{\gamma}M{\gamma}$, ${\alpha}{\beta}{\gamma}{\beta}{\alpha}$ and ${\gamma}{\beta}{\alpha}{\beta}{\gamma}$ composites. Benchmark results on the displacement and stress time-histories of FGS cylindrical panels in thermal environments under various pulse loads are presented and discussed in detail. Due to the absence of similar results in the specialized literature, this paper is likely to fill a gap in the state of the art of this problem, and provide pertinent results that are instrumental in the design of FGS structures under time-dependent mechanical loadings.
In this article, hygro-thermo-mechanical vibration and buckling of exponentially graded (EG) nanoplates resting on two-parameter Pasternak foundations are studied using the four-unknown shear deformation plate theory. The material properties are presumed to change only in the thickness direction of the EG nanoplate according to two exponential laws distribution. The boundary conditions of the nanoplate may be simply supported, clamped, free or combination of them. To consider the small scale effect on forced frequencies and buckling, Eringen's differential form of nonlocal elasticity theory is employed. The accuracy of the present study is investigated considering the available solutions in literature. A detailed analysis is executed to study the influences of the plate aspect ratio, side-to-thickness ratio, temperature rise, moisture concentration and volume fraction distributions on the vibration and buckling of the nanoplates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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