This paper addresses temperature-dependent nonlinear vibration and instability of embedded functionally graded (FG) pipes conveying viscous fluid-nanoparticle mixture. The surrounding elastic medium is modeled by temperature-dependent orthotropic Pasternak medium. Reddy third-order shear deformation theory (RSDT) of cylindrical shells are developed using the strain-displacement relations of Donnell theory. The well known Navier-Stokes equation is used for obtaining the applied force of fluid to pipe. Based on energy method and Hamilton's principal, the governing equations are derived. Generalized differential quadrature method (GDQM) is applied for obtaining the frequency and critical fluid velocity of system. The effects of different parameters such as mode numbers, nonlinearity, fluid velocity, volume percent of nanoparticle in fluid, gradient index, elastic medium, boundary condition and temperature gradient are discussed. Numerical results indicate that with increasing the stiffness of elastic medium and decreasing volume percent of nanoparticle in fluid, the frequency and critical fluid velocity increase. The presented results indicate that the material in-homogeneity has a significant influence on the vibration and instability behaviors of the FG pipes and should therefore be considered in its optimum design. In addition, fluid velocity leads to divergence and flutter instabilities.
This study investigates the viability of using a Na-ion battery with a tin(Sn) anode to mitigate the vulnerability caused by volume changes during discharge and charge cycling. In general, the volume changes of carbon material do not cause any instability during intercalation into its layer structure. Sn has a high theoretical capacity of $847mAh\;g^{-1}$. However, it expands dramatically in the discharge process by alloying Na-Sn, placing the electrode under massive internal stress, and particularly straining the binder over the elastic limit. The repeating strain results in loss of active material and its electric contact, as well as capacity decrease. This paper expands the scope of fabrication of Na-ion batteries with Sn by fabricating the binder as an auxetic structure with a unique feature: a negative Poisson ratio (NPR), which increases the resistance to internal stress in the Na-Sn alloying/de-alloying processes. Electrochemical tests and micrograph images of auxetic and common binders are used to compare dimensional and structural differences. Results show that the capacity of an auxetic-structured Sn electrode is much larger than that of a Sn electrode with a common-structured binder. Furthermore, using an auxetic structured Sn electrode, stability in discharge and charge cycling is obtained.
Two different types of rubber aggregates (40 mesh rubber powder and 1-4 mm rubber particles respectively) were devised to substitute fine aggregates at 10%, 15%, 20% and 30% by volume in self-compacting concrete to investigate their basic mechanical properties. The results show that with the increase of rubber content, the reduction of compressive strength, splitting tensile strength and static modulus of elasticity gradually increase, and energy dissipation performance gradually increase. The rubber addition significantly reduces brittleness and decelerates damaged process. Whilst, the effect of rubber particles is greater when they are finer. Considering the mechanical properties, the optimal rubber content is 10%. It is recommended that the rubber volume content in rubberized concrete (RC) should not be higher than 20%. In addition, a constitutive model under uniaxial compression was proposed basing on the strain equivalent principle of Lemaitre and the damage theory, which was in good agreement with the test curves.
Dong-Hyeon Kwak ;Jae Min Sim;Yoon-Suk Chang ;Byeong Seo Kong ;Changheui Jang
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.8
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pp.2823-2834
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2023
Austenitic stainless steel welds (ASSWs) of nuclear components undergo aging-related degradations caused by high temperature and neutron radiation. Since irradiation leads to the change of material characteristics, relevant quantification is important for long-term operation, but limitations exist. Although ion irradiation is utilized to emulate neutron irradiation, its penetration depth is too shallow to measure bulk properties. In this study, a systematic approach was suggested to estimate mechanical properties of ion irradiated 308 ASSW. First of all, weld specimens were irradiated by 2 MeV proton to 1 and 10 dpa. Microstructure evolutions due to irradiation in δ-ferrite and austenite phases were characterized and micropillar compression tests were performed. In succession, dislocation density based stress-strain (S-S) relationships and quantification models of irradiation defects were adopted to define phases in finite element analyses. Resultant microscopic S-S curves were compared to verify material parameters. Finally, macroscopic behaviors were calculated by multiscale simulations using real microstructure based representative volume element (RVE). Validity of the approach was verified for the unirradiated specimens such that the estimated S-S curves and 0.2% offset yield strengths (YSs) which was 363.14 MPa were in 10% agreement with test. For irradiated specimens, the estimated YS were 917.41 MPa in 9% agreement.
The sintering shrinkage behaviors of low temperature cofired ceramics (LTCC) and resistors were compared using commercial LTCC and thick-film resistor pastes, and factors influencing the camber of cofired resistor/LTCC bi-layers were also investigated. The onset of sintering shrinkage of the resistor occurred earlier than that of LTCC in all resistors, but the end of sintering shrinkage of the resistor occurred earlier or later than that of LTCC depending on the composition of the resistor. The sintering shrinkage end temperature and the sintering shrinkage temperature interval of the resistor increased as the RuO2/glass volume ratio of the resistor increased. The camber of cofired resistor/LTCC bi-layers was obtained using three different methods, all of which showed nearly identical trends. The camber of cofired resistor/LTCC bi-layers was not affected by either the difference in linear shrinkage strain after sintering between LTCC and resistors or the similarity of sintering shrinkage temperature ranges of LTCC and resistors. However, it was strongly affected by the RuO2/glass volume ratio of the resistor. The content of Ag and Pd had no effect on the sintering shrinkage end temperature or sintering shrinkage temperature interval of the resistor, or on the camber of cofired resistor/LTCC bi-layers.
Qian-Feng Gao;Mohamad Jrad;Mahdia Hattab;Said Taibi;Jean M. Fleureau
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.2
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pp.109-122
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2024
Standard triaxial cells are commonly used to measure the mechanical behavior of saturated soils. However, this type of standard system is difficult to use for unsaturated soil specimens since it cannot measure the changes in the pore-air volume and pressure. This paper proposes to extend the measurement possibilities of the standard triaxial testing device in a simple way and to adapt it to partially saturated soils. The system is supplied by two hygrometers installed at each end of the cylindrical unsaturated specimen to measure local relative humidity, which allows the derivation of suction. The volumetric strain of the specimen is calculated by analyzing digital photos captured from the outside of the transparent cell wall. Specimens made of kaolin clay, having different hydraulic properties, were tested to verify the reliability of the measurements, and thus, the relevance of the proposed techniques to study the mechanical behavior of unsaturated soils.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad
Smart Structures and Systems
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v.20
no.3
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pp.329-342
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2017
In this paper, the dispersion characteristics of elastic waves propagation in sandwich nano-beams with functionally graded (FG) face-sheets reinforced with carbon nanotubes (CNTs) is investigated based on various high order shear deformation beam theories (HOSDBTs) as well as nonlocal strain gradient theory (NSGT). In order to align CNTs as symmetric and asymmetric in top and bottom face-sheets with respect to neutral geometric axis of the sandwich nano-beam, various patterns are employed in this analysis. The sandwich nano-beam resting on Pasternak foundation is subjected to thermal, magnetic and electrical fields. In order to involve small scale parameter in governing equations, the NSGT is employed for this analysis. The governing equations of motion are derived using Hamilton's principle based on various HSDBTs. Then the governing equations are solved using analytical method. A detailed parametric study is conducted to study the effects of length scale parameter, different HSDBTs, the nonlocal parameter, various aligning of CNTs in thickness direction of face-sheets, different volume fraction of CNTs, foundation stiffness, applied voltage, magnetic intensity field and temperature change on the wave propagation characteristics of sandwich nano-beam. Also cut-off frequency and phase velocity are investigated in detail. According to results obtained, UU and VA patterns have the same cut-off frequency value but AV pattern has the lower value with respect to them.
This research investigates the effects of shrinkage reducing agent (SRA) on the mechanical behavior of strain-hardening cement composite (SHCC). SHCC material with specified compressive strength of 50 MPa was mixed and tested in this study. All SHCC mixes reinforced with volume fraction of 2.2% polyvinyl alcohol (PVA) fiber and test variables are type and dosage of shrinkage reducing agents. The shrinkage reducing materials used in this study are phase change material as the thermal stress reducing materials that have the ability to absorb or release the heat. The effect of SRA was examined based on the change in length caused by shrinkage and hardened mechanical properties, specially compressive, tensile and flexural behaviors, of SHCC material. It was noted that SRA reduces change in length caused by shrinkage at early age. SRA can also improve the tensile and flexural strengths and toughness of SHCC material used in this study.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.5
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pp.437-445
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2016
Recently, polyurethane foam has been used in various industry fields to preserve temperature environment of structures, and a wide range of loads from the static to the dynamic are imposed on the material during a life period. The biggest characteristic of polyurethane foam is porosity as being polymeric material, and it is generally known that insulation performance of the material strongly depends on internal void size. In addition, polyurethane foam's mechanical behavior has high dependence on strain rate and temperature as well as being highly non-linear ductile for compression. In the non-linear compressive behavior, volume fraction of voids and elastic modulus decrease as strain increases. Therefore, in this study, temperature-dependent viscoplastic-damage constitutive model was developed to describe the non-linear compressive behavior with the aforementioned features of polyurethane foam.
Potentially significant mechanical improvements in tension can be achieved by the incorporation of randomly distributed, short discrete fibers in concrete. The improvements due to the incorporation fibers significantly influence the composite stress - strain ($\sigma$-$\varepsilon$) characteristics. In general incorporating fibers in a plain concrete has relatively small effect on its precracking behavior. It, however, alters its post-cracking behavior quite significantly, resulting in greatly improved ductility, crack controls, and energy absorption capacity (or toughness). Therefore, a thorough understanding the complete tensile stress - strain ($\sigma$-$\varepsilon$) response of fiber reinforced concrete is necessary for proper analysis while using structural components made with fiber reinforced concrete. Direct tensile stress applied to a specimen is in principle the simplest configuration for determining the tensile response of concrete. However, problems associated with testing brittle materials in tension include (i) the problem related to gripping of the specimen and (ii) the problem of ensuring centric loading. Routinely, indirect tension tests for plain concrete, flexural and split-cylinder tests, have been used as simpler alternatives to direct uniaxial tension test. They are assumed to suitable for fiber reinforced concrete since typically such composites comprise 98% by volume of plain concrete. Clearly since the post-cracking characteristics are significantly influenced by the reinforcing parameters and interface characteristics, it would be fundamentally incorrect to use indirect tensile tests for determining the tensile properties of fiber reinforced concrete. The present investigation represents a systematic look at the failure and toughening mechanisms and macroscopic stress - strain ($\sigma$-$\varepsilon$) characteristics of fiber reinforced concrete in the uniaxial tension test. Results from an experimental parametric study involving used fiber quantity, type, and mechanical properties in the uniaxial tension test are presented and discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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