Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.8
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pp.1653-1665
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2002
One of the most significant problems in the processing of composite materials is residual stresses. The residual stresses may be high enough to cause cracking in the matrix even before external loads are applied and can degrade the integrity of composite structures. In this study, thermo-viscoelastic residual stresses occurred in the polymeric composite cylinder are investigated. This type of structure is used for the launch vehicle fuselage. The time and degree of cure dependent thermo-viscoelastic constitutive equations are developed and coupled with a thermo-chemical process model. These equations are solved with the finite element method to predict the residual stresses in the composite structures during cure. A launch vehicle experiences high thermal loads during flight and re-entry due to aerodynamic heating or propulsion heat, and the thermal loads may cause thermal buckling on the structure. In this study the thermal buckling analysis of composite cylinders are performed. Two boundary conditions such as all clamped and all simply supported are used for the analysis. The effects of laminates stacking sequences, shapes and residual stresses on the critical buckling temperatures of composite cylinders are investigated. The thermal buckling analysis is performed using ABAQUS.
One of the most significant problems in the processing of composite materials is residual stress. The high residual stress may cause cracking in the matrix without external loads and degrade the integrity of composite structures. In this study, thermo-viscoelastic residual stresses occurred in an aluminum liner-inserted polymer composite cylinder are investigated. This type of the structure is used for rocket fuselage due to the convenience to attach payloads and equipment to the metal liner by machining. The time and degree of cure dependent thermo-viscoelastic constitutive equations are developed and coupled with a thermo-chemical process model. These equations are solved with the finite element method to predict the residual stresses in the composite cylinder and also in the interface between the liner and the composite during cure.
The transient thermo-mechanical behavior of a simply-supported beam made of a functionally graded material (FGM) under the effect of a moving heat source is investigated. The FGM consists of a ceramic part (on the top), which is the hot side of the beam as the heat source motion takes place along this side, and a metal part (in the bottom), which is considered the cold side. Grading is in the transverse direction, with the properties being temperature-dependent. The main steps of the thermo-elastic modeling included deriving the partial differential equations for the temperatures and deflections in time and space, transforming them into ordinary differential equations using Laplace transformation, and finally using the inverse Laplace transformation to find the solutions. The effects of different parameters on the thermo-mechanical behavior of the beam are investigated, such as the convection coefficient and the heat source intensity and speed. The results show that temperatures, and hence the deflections and stresses increase with less heat convection from the beam surface, higher heat source intensity and low speeds.
In the present paper a 3D thermo-hygro-mechanical model for concrete is used to study explosive spalling of concrete cover at high temperature. For a given boundary conditions the distribution of moisture, pore pressure, temperature, stresses and strains are calculated by employing a three-dimensional transient finite element analysis. The used thermo-hygro-mechanical model accounts for the interaction between hygral and thermal properties of concrete. Moreover, these properties are coupled with the mechanical properties of concrete, i.e., it is assumed that the mechanical properties (damage) have an effect on distribution of moisture (pore pressure) and temperature. Stresses in concrete are calculated by employing temperature dependent microplane model. To study explosive spalling of concrete cover, a 3D finite element analysis of a concrete slab, which was locally exposed to high temperature, is performed. It is shown that relatively high pore pressure in concrete can cause explosive spalling. The numerical results indicate that the governing parameter that controls spalling is permeability of concrete. It is also shown that possible buckling of a concrete layer in the spalling zone increases the risk for explosive spalling.
This paper is the first step fur thermo-mechanical stress analyses of part with coated layer under contact load. A lot of coated material is applied in many structures to endure severe situation, like thermal stresses, high temperature gradients, irradiation, impacts by microscopic meteorites, and so on. In this part we are going to apply the FEM to analyze space parts with a coated layer subjected to a contact load thermo-mechanically. Coating layer is very thin in comparision with the structure, therefore it should take more times and behaviors to analyze whole model. In these reason we develop the FEM method of analyzing part with coated layer under contact load using partial model. Steady state temperature distribution of the part is obtained first, and then we apply quasi-static external load on the part. To obtain the final stage of solution, we compute the total solution, and by subtracting the thermal strain from the total ones we get the mechanical strains to compute stresses of the parts. In using the FEM, one has to discretize the model into many sub-domain, finite elements. The method is consisited of two steps. First step is to analyze the whole model with rather coarse meshes. Second step we cut a small region near the loading point, and analyze with very fine meshes. This method is allowable by the Saint-Venant's principle. And then, we finally shall check the therma1 load on the stresses of the space part with coating layer with or without substrate cracks. Then, we predict the actual behaviors of the part used in space.
In this article, the multiphysics response of magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam subjected to thermo-mechanical loading is analysed. The equilibrium equations of the system are obtained with the aid of the principle of total potential energy. The constitutive equations of a MEE material accounting the thermal fields are used for analysis. The corresponding finite element (FE) formulation is derived and model of the beam is generated using an eight noded 3D brick element. The 3D FE formulation developed enables the representation of governing equations in all three axes, achieving accurate results. Also, geometric, constitutive and loading assumptions required to dimensionality reduction can be avoided. Numerical evaluation is performed on the basis of the derived formulation and the influence of various mechanical loading profiles and volume fractions on the direct quantities and stresses is evaluated. In addition, an attempt has been made to compare the individual effect of thermal and mechanical loading with the combined effect. It is believed that the numerical results obtained helps in accurate design and development of sensors and actuators.
In this a set of constitutive equation relevant to the analysis of thermo-elasto-plastic materials with phase transformation during quenching process was presented on the basis of continuum thermo-dynamic. In calculating the transient thermal stresses, temperature between coolant and specimen(SM45C) surface was determined from the heat transfer coefficient. A calculation was made for specimen with 40mm in diameter quenched in coolant from $820^{\circ}C$ and the results are as follow. Stresses at starting point of transformation always show the maximum tensile value. Reverse of stresses takes place after completion of transformation of inner part at specimen.
The effect of porosity on the thermo-mechanical behavior of simply supported functionally graded plate reposed on the Winkler-Pasternak foundation is investigated analytically in the present paper using new refined hyperbolic shear deformation plate theory. Both even and uneven distribution of porosity are taken into account and the effective properties of FG plates with porosity are defined by theoretical formula with an additional term of porosity. The present formulation is based on a refined higher order shear deformation theory, which is based on four variables and it still accounts for parabolic distribution of the transverse shearing strains and stresses through the thickness of the FG plate and takes into account the various distribution shape of porosity. The elastic foundation is described by the Winkler-Pasternak model. Anew modified power-law formulation is used to describe the material properties of FGM plates in the thickness direction. The closed form solutions are obtained by using Navier technique. The present results are verified in comparison with the published ones in the literature. The results show that the dimensionless and stresses are affected by the porosity volume fraction, constituent volume fraction, and thermal load.
This study attempts to investigate the impact of thickness stretching and nonlinear hygro-thermo-mechanical loading on the bending behavior of FG beams. Young's modulus, thermal expansion, and moisture concentration coefficients vary gradually and continuously according to a power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituent materials. In addition, the interaction between the thermal, mechanical, and moisture loads is involved in the governing equilibrium equations. Using the present developed analytical model and Navier's solution technique, the numerical results of non-dimensional stresses and displacements are compared with those obtained by other 3D theories. Furthermore, the present analytical model is appropriate for investigating the static bending of FG beams exposed to intense hygro-thermo-mechanical loading used for special technical applications in aerospace, automobile, and civil engineering constructions.
The electro-magneto- thermo-elastic behavior of a rotating functionally graded long hollow cylinder with functionally graded piezoelectric (FGPM) layers is analytically analyzed. The layers are imperfectly bonded to its inner and outer surfaces. The hybrid cylinder is placed in a constant magnetic field subjected to a thermo-electro-mechanical loading and could be rested on a Winkler-type elastic foundation. The material properties of the FGM cylinder and radially polarized FGPM layers are assumed to be graded in the radial direction according to the power law. The hybrid cylinder is rotating about its axis at a constant angular velocity. The governing equations are solved analytically and then stresses, displacement and electric potential distribution are calculated. Numerical examples are given to illustrate the effects of material in-homogeneity, magnetic field, elastic foundation, applied voltage, imperfect interface and thermo-mechanical boundary condition on the static behavior of a FG smart cylinder.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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