Cooling by the flow of water through an embedded cooling pipe has become a common and effective artificial thermal control measure for massive concrete structures. However, an extreme thermal gradient induces significant thermal stress, resulting in thermal cracking. Using a mesoscopic finite-element (FE) mesh, three-phase composites of concrete namely aggregate, mortar matrix and interfacial transition zone (ITZ) are modeled. An equivalent probabilistic model is presented for failure study of concrete by assuming that the material properties conform to the Weibull distribution law. Meanwhile, the correlation coefficient introduced by the statistical method is incorporated into the Weibull distribution formula. Subsequently, a series of numerical analyses are used for investigating the influence of the correlation coefficient on tensile strength and the failure process of concrete based on the equivalent probabilistic model. Finally, as an engineering application, damage and failure behavior of concrete cracks induced by a water-cooling pipe are analyzed in-depth by the presented model. Results show that the random distribution of concrete mechanical parameters and the temperature gradient near water-cooling pipe have a significant influence on the pattern and failure progress of temperature-induced micro-cracking in concrete.
The properties of Electroactive Polymer (EAP) materials are attracting the attention of engineers and scientists from many different disciplines. From the point-of-view of robotics, Ionic Polymer Metal Composites (IPMC) belong to the most developed group of the EAP class. To allow effective design of IPMC-actuated mechanisms with large induced strains, it is necessary to have adequate analytical tools for predicting the behavior of IPMC actuators as well as simulating their response as part of prototyping methodologies. This paper presents a novel IPMC motor construction. To simulate the bending behavior that is the dominant phenomenon of motor movement process, a nonlinear model is used. To accomplish the motor design, the IPMC model was identified via a series of experiments. In the proposed model, the curvature output and current transient fields accurately track the measured responses, which is verified by measurements. In this research, a three-dimensional Finite Element Method (FEM) model of the IPMC motor, composed of IPMC actuators, simultaneously determines the mechanical and electrical characteristics of the device and achieves reliable analysis results. The principle of the proposed drive and the output signals are illustrated in this paper. The proposed modelling approach can be used to design a variety of controllers and motors for effective micro-robotic applications, where soft and complex motion are required.
A high-resolution camera is a precise optical system. Its vibrations during transportation and launch, together with changes in temperature and gravity field in orbit, lead to different degrees of defocus of the camera. Thermal refocusing is one of the solutions to the problems related to in-orbit defocusing, but there are few relevant thermal refocusing mathematical models for systematic analysis and research. Therefore, to further research thermal refocusing systems by using the development of a high-resolution micro-nano satellite (CX6-02) super-resolution camera as an example, we established a thermal refocusing mathematical model based on the thermal elasticity theory on the basis of the secondary mirror position. The detailed design of the thermal refocusing system was carried out under the guidance of the mathematical model. Through optical-mechanical-thermal integration analysis and Zernike polynomial calculation, we found that the data error obtained was about 1%, and deformation in the secondary mirror surface conformed to the optical index, indicating the accuracy and reliability of the thermal refocusing mathematical model. In the final ground test, the thermal vacuum experimental verification data and in-orbit imaging results showed that the thermal refocusing system is consistent with the experimental data, and the performance is stable, which provides theoretical and technical support for the future development of a thermal refocusing space camera.
Nanotechnology has emerged as a promising avenue for enhancing musical structures. In this study, we analyze the static behavior of laser harp (i.e., electronic musical instrument) reinforced with Zinc Oxide (ZnO) nanoparticles. Leveraging the piezoelectric properties of ZnO nanoparticles, the structure is subjected to an electric field for intelligent control. The electronic musical structure is situated in a foundation with vertical springs and shear modulus constants. We employ the exponential Shear Deformation Beam Theory (ESDBT) to mathematically model the structure. A micro-electro-mechanical model is employed to determine the equivalent properties of the system. By utilizing nonlinear stress-strain relations, energy methods, and Hamilton's principle, we derive the motion equations. The buckling load of the electronic musical beam is calculated using the Difference Quadrature Method (DQM). The primary objective of this study is to present a mathematical model for electronic musical beams and determining the buckling load of the structure and to investigate the influence of nanotechnology and electric fields on its buckling behavior. The buckling is the case when the structure becomes deforms and unstable. Our findings reveal that the application of negative external voltage to the electronic musical structure increases both the stiffness and the buckling load of the musical system. Furthermore, reinforcing the electronic musical structure with ZnO nanoparticles results in an increased buckling load. Notably, the maximum enhancement in the 28-day compressive and tensile strengths of samples containing zinc oxide nanoparticles compared to the control sample resulting in increases of 18.70% and 3.77%, respectively.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad;Arani, M.R. Ghorbanpour
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.4
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pp.439-455
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2019
This research deals with thermo-electro-mechanical buckling analysis of the sandwich nano-beams with face-sheets made of functionally graded carbon nano-tubes reinforcement composite (FG-CNTRC) based on the nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) considering various higher-order shear deformation beam theories (HSDBT). The sandwich nano-beam with FG-CNTRC face-sheets is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Pasternak's foundation. It is assumed that the material properties of the face-sheets change continuously along the thickness direction according to different patterns for CNTs distribution. In order to include coupling of strain and electrical field in equation of motion, the nonlocal non-classical nano-beam model contains piezoelectric effect. The governing equations of motion are derived using Hamilton principle based on HSDBTs and NSGET. The differential quadrature method (DQM) is used to calculate the mechanical buckling loads of sandwich nano-beam as well as critical voltage and temperature rising. After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various HSDBTs, length scale parameter (strain gradient parameter), the nonlocal parameter, the CNTs volume fraction, Pasternak's foundation coefficients, various boundary conditions, the CNTs efficiency parameter and geometric dimensions on the buckling behaviors of FG sandwich nano-beam. The numerical results indicate that, the amounts of the mechanical critical load calculated by PSDBT and TSDBT approximately have same values as well as ESDBT and ASDBT. Also, it is worthy noted that buckling load calculated by aforementioned theories is nearly smaller than buckling load estimated by FSDBT. Also, similar aforementioned structure is used to building the nano/micro oscillators.
Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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2018.11a
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pp.328-330
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2018
A floating body with a device that converts solar energy into electrical energy is moved by waves. To evaluate the safety of a floating body, measurement and interpretation of the float motion is required, which is generally based on 6 degrees of freedom motion. The 6 degree of freedom motion can be measured using MEMS (Micro-Electro Mechanical System), which features low power, small size and low cost. The key issue is, meanwhile, the low precision of the MEMS. In this study, the safety evaluation technique by analyzing the behavior of floating body using MEMS was examined. As a result of the study, it was found that the marine floating body can be modeled through the inertial measurement platform using the 3-axis accelerometer and the 3-axis gyroscope, and the safety of the float can be evaluated through this model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.35
no.10
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pp.1075-1081
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2011
A leak-detection method has been developed by measuring the pressure variation between the inner and outer heattransfer tubes of a double-wall tube steam generator. An experiment was carried out to measure the leak rate in the gap between two surfaces pressed with a hydraulic press in order to simulate the phenomena, and a correlation was determined for the leak rate in a micro gap. However, in the correlation, the gap width and friction coefficient were coupled with the surface roughness, which affects the two parameters. The two parameters were separated using a surface-contact model to develop a correlation for the friction coefficient. The correlation was compared with the existing correlations used for crack analysis. Although the applied ranges of Reynolds numbers were different, the developed correlation for Reynolds numbers of 0.1.0.35 showed similar tendencies to existing correlations used for higher Reynolds numbers.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.17
no.6
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pp.20-29
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2013
Turbulent flow and combustion characteristics in a micro can combustor with a baffle plate are investigated by a Reynolds Stress Model. In order to examine the geometric effects on the turbulent combusting flow, several baffle configurations are selected. The interrelation between the flow structure and the thermal field are investigated by examing the variation of recirculation region, flame length and heat loss. For the flow mixing, the decreasing air hole is more efficient than the decrease of the fuel hole. As the fuel or air hole diameter decreases, combustion efficiency is enhanced and flame length is decreased. Additionally, as the diameter of air hole decreases, the heat loss and combustion temperature are increased, while they are reduced with decreasing the diameter of fuel hole.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.36
no.5
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pp.323-330
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2023
The development of an analysis model that reflects the microstructure characteristics of polyvinyl alcohol (PVA) fiber-reinforced cementitious composites, which have a highly complex microstructure, enables synergy between efficient material design and real experiments. PVA fiber orientations are an important factor that influences the mechanical behavior of PVA fiber-reinforced cementitious composites. Owing to the difficulty in distinguishing the gray level value obtained from micro-CT images of PVA fibers from adjacent phases, fiber segmentation is time-consuming work. In this study, a micro-CT test with a voxel size of 0.65 ㎛3 was performed to investigate the three-dimensional distribution of fibers. To segment the fibers and generate training data, histogram, morphology, and gradient-based phase-segmentation methods were used. A U-net model was proposed to segment fibers from micro-CT images of PVA fiber-reinforced cementitious composites. Data augmentation was applied to increase the accuracy of the training, using a total of 1024 images as training data. The performance of the model was evaluated using accuracy, precision, recall, and F1 score. The trained model achieved a high fiber segmentation performance and efficiency, and the approach can be applied to other specimens as well.
Choi, Chan Kyu;Kim, Ju Chul;Yun, Ju Young;Sim, Jung Kil;Yoo, Hong Hee
Transactions of the KSME C: Technology and Education
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v.1
no.1
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pp.1-6
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2013
A SIM card socket is used for a cell phone to fix an USIM card and a push-push mechanism is typically employed in the SIM card socket for a user convenience. A SIM card is inserted with locking when a user pushes the card once and a SIM card is removed with unlocking when a user pushes the card again. A push-push mechanism is operated by a heart-cam structure and a main spring. A cam slider and a cam stick consisting a push-push mechanism may be broken because of the main spring. So, dynamic stress at a cam slider and a cam stick which is generated by a main spring during operating should be analyzed and considered in the push-push mechanism design. In this paper, a flexible multibody model of a push-push mechanism was developed to analyze dynamic stress at a cam slider and a cam stick.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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