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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.5
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pp.924-931
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2002
Vacuum interrupters in order to be used in various switch-gear components such as circuit breakers, distribution switches, contactors, etc. spread the arc uniformly over the surface of the contacts. The electrodes of vacuum interrupters are made of sinter-forged Cu-Cr materials for good electrical and mechanical characteristics. Since the closing velocity is 1-2m/s and impact deformation of the electrode depends on the strain rate at that velocity, the dynamic behavior of the sinter-forged Cu-Cr is a key to investigate the impact characteristics of the electrodes. The dynamic response of the material at the high strain rate is obtained from the split Hopkinson pressure bar test using disc-type specimens. Experimental results from both quasi-static and dynamic compressive tests are Interpolated to construct the Johnson-Cook model as the constitutive relation that should be applied to simulation of the dynamic behavior of the electrodes. The impact characteristics of a vacuum interrupter are investigated with computer simulations by changing the value of five parameters such as the initial velocity of a movable electrode, the added mass of a movable electrode, the wipe spring constant, initial offset of a wipe spring and the virtual fixed spring constant.
The major objective of this study is to investigate the fatigue life evaluation of immovability crossing for railway turnout by the field test. In railway engineering, an appliance is necessary to allow a vehicle to move from one track to another. This appliance came to be known technically as turnout. So, turnout is required very complex railway technologies such as rolling stock, track. Due to the plan under the application of high speed train, turnout are needed more stable far fatigue behaviors. It analyzed the mechanical behaviors of turnout crossing with propose its advanced technical type on the field test and fatigue evaluation far the dynamic fatigue characteristics. As a result, the advanced type crossing are obviously effective for the fatigue damage ratio and dynamic response which is non-modified type. The analytical and experimental study are carried out to investigate the passing path of contact surface and fatigue damage trend decrease dynamic stresses and deflections on advanced crossing type, And the advanced type reduce dynamic fatigue damage ratio and increase fatigue life(about each 38%) more than non-modified type. From the field test results of the servicing turnout crossing, it is evaluated that the modification of contact angle, weight, material and sectional properties is very effective fur ensure against fatigue risks.
Moghadam, Amir Ali Amiri;Kouzani, Abbas;Zamani, Reza;Magniez, Kevin;Kaynak, Akif
Smart Structures and Systems
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v.15
no.6
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pp.1601-1623
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2015
Electroactive polymers have attracted considerable attention in recent years due to their sensing and actuating properties which make them a material of choice for a wide range of applications including sensors, biomimetic robots, and biomedical micro devices. This paper presents an effective modeling strategy for nonlinear large deformation (small strains and moderate rotations) dynamic analysis of polymer actuators. Considering that the complicated electro-chemo-mechanical dynamics of these actuators is a drawback for their application in functional devices, establishing a mathematical model which can effectively predict the actuator's dynamic behavior can be of paramount importance. To effectively predict the actuator's dynamic behavior, a comprehensive mathematical model is proposed correlating the input voltage and the output bending displacement of polymer actuators. The proposed model, which is based on the rigid finite element (RFE) method, consists of two parts, namely electrical and mechanical models. The former is comprised of a ladder network of discrete resistive-capacitive components similar to the network used to model transmission lines, while the latter describes the actuator as a system of rigid links connected by spring-damping elements (sdes). Both electrical and mechanical components are validated through experimental results.
The semi-analytical method to study the nonlinear dynamic behavior of simply supported spiral stiffened functionally graded (FG) cylindrical shells subjected to an axial compression is presented. The FG shell is surrounded by damping and linear/nonlinear elastic foundation. The proposed linear model is based on the two-parameter elastic foundation (Winkler and Pasternak). A three-parameter elastic foundation with hardening/softening cubic nonlinearity is used for nonlinear model. The material properties of the shell and stiffeners are assumed to be FG. Based on the classical plate theory of shells and von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ nonlinear equations, smeared stiffeners technique and Galerkin method, this paper solves the nonlinear vibration problem. The fourth order Runge-Kutta method is used to find the nonlinear dynamic responses. Results are given to consider effects of spiral stiffeners with various angles, elastic foundation and damping coefficients on the nonlinear dynamic response of spiral stiffened simply supported FG cylindrical shells.
The major objective of this study is to investigate the fatigue behavior evaluation of immovability crossing for railway turnout by the field test. In railway engineering, an appliance is necessary to allow a vehicle to move from one track to another. This appliance came to be known technically as turnout. So, turnout is required very complex railway technologies such as rolling stock, track. Due to the plan under the application of high speed train, turnout are needed more stable for fatigue behaviors. It analyzed the mechanical behaviors of turnout crossing with propose its advanced technical type on the field test and fatigue evaluation for the dynamic fatigue characteristics. As a result, the advanced type crossing are obviously effective for the fatigue damage ratio and dynamic response which is non-modified type. The analytical and experimental study are carried out to investigate the passing path of contact surface and fatigue damage trend decrease dynamic stresses and deflections on advanced crossing type. And the advanced type reduce dynamic fatigue damage ratio and increase fatigue life(about each 38%)more than non-modified type. From the field test results of the servicing turnout crossing, it is evaluated that the modification of contact angle, weight, material and sectional properties is very effective for ensure against fatigue risks.
High-damping rubber bearings (HDRB) are commonly used as seismic isolation devices to protect civil engineering structures from earthquakes. However, the nonlinear hysteresis characteristics of the HDRB, such as their dependence on material properties and hardening phenomena, make predicting their behavior during earthquakes difficult. This study proposes a hysteretic model that can accurately predicts the behavior of shear deformation considering the nonlinearity when designing the seismic isolation structures using HDR bearings. To model the hysteretic characteristics of the HDR, dynamic loading tests were performed by applying sinusoidal and random waves on scaled-down specimens. The test results show that the nonlinear characteristics of the HDR strongly correlate with the shear strain experienced in the past. Furthermore, when shear deformation occurred above a certain level, the hardening phenomenon, wherein the stiffness increased rapidly, was confirmed. Based on the experimental results, the dynamic characteristics of the HDR, equivalent stiffness, equivalent damping ratio, and strain energy were quantitatively evaluated and analyzed. In this study, an improved bilinear HDR model that can reproduce the dependence on shear deformation and hardening phenomena was developed. Additionally, by proposing an objective parameter-setting procedure based on the experimental results, the model was devised such that similar parameters could be set by anyone. Further, an actual dynamic analysis could be performed by modeling with minimal parameters. The proposed model corresponded with the experimental results and successfully reproduced the mechanical characteristics evaluated from experimental results within an error margin of 10%.
Based on the crucial role of high-speed railway bridges (HSRBs) in the safety of high-speed railway operations, it is an important approach to mitigate earthquake hazards by proceeding with seismic risk assessments in their whole life. Bridge seismic risk assessment, which usually evaluates the seismic performance of bridges from a probabilistic perspective, provides technical support for bridge risk management. The seismic performance of bridges is greatly affected by the degradation of material properties, therefore, material damage plays a nonnegligible role in the seismic risk assessment of the bridge. The effect of material damage is not considered in most current studies on seismic risk analysis of bridges, nevertheless. To fill the gap in this area, in this paper, a nonlinear dynamic time-history analysis has been carried out by establishing OpenSees finite element model, and a seismic vulnerability analysis is carried out based on the incremental dynamic analysis (IDA) method. On this basis, combined with the site risk analysis, the time-dependent seismic risk analysis of an offshore three-span HSRB in the whole life cycle has been conducted. The results showed that the seismic risk probabilities of both components and system of the bridge increase with the service time, and their seismic risk probabilities increase significantly in the last service period due to the degradation of the material strength, which demonstrates that the impact of durability damage should be considered when evaluating the seismic performance of bridges in the design and service period.
Purpose: The concept of the tectonic has researched to find out the identify of modern architecture. The meaning of traditional tectonic knowledge to emphasize structural joints and attention to detail in creativity has developed in various ways in contemporary architecture. The purpose of this study is to analyze the tectonic characteristics and architectural expressions of the light appeared in the works of Santiago Calatrava. Major features in his works could be found is to maximize structural beauties through deducing the architectural images from the nature and expressing the material properties and the kinetic structures, and thus, to ultimately create the functional space and form by connecting the light to the tectonic structure. Method: Accordingly, I tried to analyze the three works of Santiago Calatrava (the Milwaukee Art Museum, the Bodegas Ysios Winery and the City and Arts and Sciences) as following categories - the structural aesthetics, the expression of material properties, the relationship between he kinetic structures and the light. Result: According to the results of the study, Santiago Calatrava tried to create his own architectural aesthetic by combining structural tectonic with nature, material, regional place and culture. He also sought to express the tense and dynamic tectonic rather than the stable one in his works.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2004.05a
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pp.185-188
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2004
A diode structure of field emission lamps based upon carbon-nanotube is studied. The single-walled carbon nanotubes(SWNTs) were produced by arc discharge method. We made the 1-inch diode type flat lamp using CNTs. We applied anode voltage gradually to refine the field emission behavior of emitter in dynamic vacuum system to study the emission current. the brightness and efficiency, etc. The field emission properties was estimated by varying gaps between the cathode and anode, contents of the glass frit. The good luminous efficiency is showed in the gap $900{\mu}m$, $1200{\mu}m$ and contents of the proper glass frit. For the upper conditions, the luminous efficiencies were respectively 23.30, 11.12 1m/W.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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