In the current research, the nonlinear free vibrations of curved pipes made of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) materials are investigated. It is assumed that the FG-CNTRC curved pipe is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to a uniform temperature rise. Properties of the curved nanocomposite pipe are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite pipe are temperature-dependent. The governing equations of the curved pipe are obtained using a higher order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the pipe. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved nanocomposite pipe. For the case of nanocomposite curved pipes which are simply supported in flexure and axially immovable, the motion equations are solved using the two-step perturbation technique. The closed-form expressions are provided to obtain the small- and large-amplitude frequencies of FG-CNTRC curved pipes rested on a nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of CNT distribution pattern, the CNT volume fraction, thermal environment, nonlinear foundation stiffness, and geometrical parameters on the fundamental linear and nonlinear frequencies of the curved nanocomposite pipe.
Soliman, Ahmed E.;Eltaher, Mohamed A.;Attia, Mohamed A.;Alshorbagy, Amal E.
Structural Engineering and Mechanics
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v.66
no.1
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pp.85-96
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2018
This study investigates the response of functionally graded (FG) gas pipe under unsteady internal pressure and temperature. The pipe is proposed to be manufactured from FGMs rather than custom carbon steel, to reduce the erosion, corrosion, pressure surge and temperature variation effects caused by conveying of gases. The distribution of material graduations are obeying power and sigmoidal functions varying with the pipe thickness. The sigmoidal distribution is proposed for the 1st time in analysis of FG pipe structure. A Two-dimensional (2D) plane strain problem is proposed to model the pipe cross-section. The Fourier law is applied to describe the heat flux and temperature variation through the pipe thickness. The time variation of internal pressure is described by using exponential-harmonic function. The proposed problem is solved numerically by a two-dimensional (2D) plane strain finite element ABAQUS software. Nine-node isoparametric element is selected. The proposed model is verified with published results. The effects of material graduation, material function, temperature and internal pressures on the response of FG gas pipe are investigated. The coupled temperature and displacement FEM solution is used to find a solution for the stress displacement and temperature fields simultaneously because the thermal and mechanical solutions affected greatly by each other. The obtained results present the applicability of alternative FGM materials rather than classical A106Gr.B steel. According to proposed model and numerical results, the FGM pipe is more effective in natural gas application, especially in eliminating the corrosion, erosion and reduction of stresses.
Xu, Chen;Jing-Lei, Zhao;Gui-Lin, She;Yan, Jing;Hua-Yan, Pu;Jun, Luo
Steel and Composite Structures
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v.45
no.5
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pp.641-652
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2022
Fluid-conveying tubes are widely used to transport oil and natural gas in industries. As an advanced composite material, functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTRC) have great potential to empower the industry. However, nonlinear free vibration of the FG-CNTRC fluid-conveying pipe has not been attempted in thermal environment. In this paper, the nonlinear free vibration characteristic of functionally graded nanocomposite fluid-conveying pipe reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWNTs) in thermal environment is investigated. The SWCNTs gradient distributed in the thickness direction of the pipe forms different reinforcement patterns. The material properties of the FG-CNTRC are estimated by rule of mixture. A higher-order shear deformation theory and Hamilton's variational principle are employed to derive the motion equations incorporating the thermal and fluid effects. A two-step perturbation method is implemented to obtain the closed-form asymptotic solutions for these nonlinear partial differential equations. The nonlinear frequencies under several reinforcement patterns are presented and discussed. We conduct a series of studies aimed at revealing the effects of the flow velocity, the environment temperature, the inner-outer diameter ratio, and the carbon nanotube volume fraction on the nature frequency.
In the present paper, the numerical dynamic analysis of a functionally graded nano-scale nonuniform tube was investigated according to the high-order beam theory coupled with the nonlocal gradient strain theory. The supposed cross-section is changed along the pipe length, and the material distribution, which combines both metal and ceramics, is smoothly changed in the pipe length direction, which is called axially functionally graded (AFG) pipe. Moreover, the porosity voids are dispersed in the cross-section and the radial pattern that the existence of both material distribution along the tube length and porosity voids make a two-dimensional functionally graded (2D-FG) truncated conical pipe. On the basis of the Hamilton principle, the governing equations and the associated boundary conditions equations are derived, and then a numerical approach is applied to solve the obtained equations.
Dynamic response of functionally graded Carbon nanotubes (FG-CNT) reinforced pipes conveying viscous fluid under accelerated moving load is presented. The mixture rule is used for obtaining the material properties of nano-composite pipe. The radial force induced by viscous fluid is calculated by Navier-Stokes equation. The material properties of pipe are considered temperature-dependent. The structure is simulated by Reddy higher-order shear deformation shell theory and the corresponding motion equations are derived by Hamilton's principal. Differential quadrature (DQ) method and the Integral Quadrature (IQ) are applied for analogizing the motion equations and then the Newmark time integration scheme is used for obtaining the dynamic response of structure. The effects of different parameters such as boundary conditions, geometrical parameters, velocity and acceleration of moving load, CNT volume percent and distribution type are shown on the dynamic response of pipe. Results indicate that increasing CNTs leads to decrease in transient deflection of structure. In accelerated motion of the moving load, the maximum displacement is occurred later with respect to decelerated motion of moving load.
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 paper addresses vibration and instability of embedded functionally graded (FG)-carbon nanotubes (CNTs)-reinforced pipes conveying viscous fluid. The surrounding elastic medium is modeled by temperature-dependent orthotropic Pasternak medium. Flugge shell model is applied for mathematical modeling of structure. Based on energy method and Hamilton's principal, the motion equations are derived. Differential quadrature method (GDQM) is applied for obtaining the frequency and critical fluid velocity of system. The effects of different parameters such as volume percent of CNTs, elastic medium, boundary condition and geometrical parameters are discussed.
This paper investigates the stability of a bi-directional functionally graded (BD-FG) cylindrical beam made of imperfect concrete, taking into account size-dependency and the effect of geometry on its stability behavior. Both buckling and dynamic behavior are analyzed using the modified coupled stress theory and the classical beam theory. The BD-FG structure is created by using porosity-dependent FG concrete, with changing porosity voids and material distributions along the pipe radius, as well as uniform and nonuniform radius functions that vary along the beam length. Energy principles are used to generate partial differential equations (PDE) for stability analysis, which are then solved numerically. This study sheds light on the complex behavior of BD-FG structures, and the results can be useful for the design of stable cylindrical microstructures.
In this paper, critical fluid velocity and frequency of laminated pipe conveying fluid are presented. Each layer of the pipe is reinforced by functionally graded carbon nanotubes (FG-CNTs). The internal fluid is assumed turbulent and the induced forces are calculated by momentum equations. The pipe is resting on viscoelastic foundation with spring, shear and damping constants. The motion equations are derived based on classical shell theory and energy method. Differential quadrature method (DQM) is used for solution and obtaining the critical fluid velocity. The effects of volume percent and distribution of CNT, boundary condition, lamina layer number, length to radius ration of pipe, viscoelastic medium and fluid velocity are shown on the critical fluid velocity. Results show that with increasing the lamina layer number, the critical fluid velocity increases.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.6
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pp.1572-1581
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1994
Heat transfer characteristics in a rotating heat pipe with evaporator of the rotating disc and the condenser of the screwed groove is investigated by numerical method for various dimensionless film thicknesses, Re, C_{p}{\Delta}T/h_{fg}$, rotational speed and working fluids. The temperature difference between evaporator wall and vapor increases a little, but the temperature difference between condenser wall and vapor decreases rapidly as Re increases. As the dimensionless film thickness decreases, the temperature difference of evaporator and condenser decreases. As the rotational speed increases, the temperature difference between evaporator wall and vapor increases but the temperature difference between condenser wall and vapor decreases. The Nusselt number can be shown as a function of dimensionless film thickness and Re, that is $Nu=0.963\cdot(\delta^{-1}(\omega/\vpsilon)^{-1/2}{\cdot}Re^{0.5025})$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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