Eltaher, Mohamed A.;Attia, Mohamed A.;Soliman, Ahmed E.;Alshorbagy, Amal E.
Structural Engineering and Mechanics
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v.66
no.1
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pp.97-111
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2018
Cracking can lead to unexpected sudden failure of normally ductile metals subjected to a tensile stress, especially at elevated temperature. This article is raised to study the application of a composite material instead of the traditional carbon steel material used in the natural gas transmission pipeline because the cracks occurs in the pipeline initiate at its internal surface which is subjected to internal high fluctuated pressure and unsteady temperature according to actual operation conditions. Functionally graded material (FGM) is proposed to benefit from the ceramics durability and its surface hardness against erosion. FGM properties are graded at the radial direction. Finite element method (FEM) is applied and solved by ABAQUS software including FORTRAN subroutines adapted for this case of study. The stress intensity factor (SIF), temperatures and stresses are discussed to obtain the optimum FGM configuration under the actual conditions of pressure and temperature. Thermoelastic analysis of a plane strain model is adopted to study SIF and material response at various crack depths.
This paper presents the flutter analysis and optimum design of axially functionally graded box beam cantilever wing section by considering various geometric and material parameters. The coupled dynamic equations of the continuous model of wing system in terms of material and cross-sectional properties are formulated based on extended Hamilton's principle. By expressing the lift and pitching moment in terms of plunge and pitch displacements, the resultant two continuous equations are simplified using Galerkin's reduced order model. The flutter velocity is predicted from the solution of resultant damped eigenvalue problem. Parametric studies are conducted to know the effects of geometric factors such as taper ratio, thickness, sweep angle as well as material volume fractions and functional grading index on the flutter velocity. A generalized surrogate model is constructed by training the radial basis function network with the parametric data. The optimized material and geometric parameters of the section are predicted by solving the constrained optimal problem using firefly metaheuristics algorithm that employs the developed surrogate model for the function evaluations. The trapezoidal hollow box beam section design with axial functional grading concept is illustrated with combination of aluminium alloy and aluminium with silicon carbide particulates. A good improvement in flutter velocity is noticed by the optimization.
In this work, thermoelastic dynamic behavior of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) cylinders subjected to mechanical pressure loads, uniform temperature environment or thermal gradient loads is investigated by a mesh-free method. The material properties and thermal stress wave propagation of the nanocomposite cylinders are derived after solving of the transient thermal equation and obtaining of the time history of temperature field of the cylinders. The nanocomposite cylinders are made of a polymer matrix and wavy single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The volume fraction of carbon nanotubes (CNTs) are assumed variable along the radial direction of the axisymmetric cylinder. Also, material properties of the polymer and CNT are assumed temperature-dependent and mechanical properties of the nanocomposite are estimated by a micro mechanical model in volume fraction form. In the mesh-free analysis, moving least squares shape functions are used to approximate temperature and displacement fields in the weak form of motion equation and transient thermal equation, respectively. Also, transformation method is used to impose their essential boundary conditions. Effects of waviness, volume fraction and distribution pattern of CNT, temperature of environment and direction of thermal gradient loads are investigated on the thermoelastic dynamic behavior of FG-CNTRC cylinders.
In this study, we employ the full atomistic molecular dynamics simulation and finite element homogenization method to predict the thermo-mechanical properties of nanocomposites including carbon nanotube bundle. As the number of carbon nanotubes within the single bundle increases, the effective in-plane Young's modulus and in-plane shear modulus decrease, and in-plane thermal expansion coefficient increases, despite the same volume fraction of carbon nanotubes. To investigate the thickness of interphase zone, we employ the radial density distribution. It is investigated that the interphase thickness is almost independent on the number of carbon nanotubes within the single bundle. It is assumed that the matrix and interphase are isotropic materials. According to the predicted thermo-mechanical properties of interphase zone, the Young's modulus and shear modulus of interphase zone clearly decrease, and the thermal expansion coefficient increases. Based on the thermo-mechanical interphase behavior, we developed the multiscale homogenization model to predict the thermo-mechanical properties of PLA nanocomposites that include the carbon nanotube bundle.
In this paper, three-dimensional (3D) elasticity theory in conjunction with nonlocal strain gradient theory (NSGT) is developed for mechanical analysis of anisotropic nanoparticles. The present model incorporates two scale coefficients to examine the mechanical characteristics much accurately. All the elastic constants are considered and assumed to be the functions of (r, ${\theta}$, ${\varphi}$), so all kind of anisotropic structures can be modeled. Moreover, all types of functionally graded spherical structures can be investigated. To justify our model, our results for the radial vibration of spherical nanoparticles are compared with experimental results available in the literature and great agreement is achieved. Next, several examples of the radial vibration and wave propagation in spherical nanoparticles including nonlocal strain gradient parameters are presented for more than 10 different anisotropic nanoparticles. From the best knowledge of authors, it is the first time that 3D elasticity theory and NSGT are used together with no approximation to derive the governing equations in the spherical coordinate. Moreover, up to now, the NSGT has not been used for spherical anisotropic nanoparticles. It is also the first time that all the 36 elastic constants as functions of (r, ${\theta}$, ${\varphi}$) are considered for anisotropic and functionally graded nanostructures including size effects. According to the lack of any common approximations in the displacement field or in elastic constant, present theory can be assumed as a benchmark for future works.
In the present work, the optimization of machining parameters to achieve the desired technological parameters such as surface roughness, tool radial vibration and material removal rate have been carried out using response surface methodology (RSM). The hard turning of EN19 alloy steel with coated carbide (GC3015) cutting tools was studied. The main problem faced in manufacturer of hard and high precision components is the selection of optimum combination of cutting parameters for achieving required quality of surface finish with maximum production rate. This problem can be solved by development of mathematical model and execution of experiments by RSM. A face centred central composite design (FCCD), which comes under the RSM approach, with cutting parameters (cutting speed, feed rate and depth of cut) was used for statistical analysis. A second-order regression model were developed to correlate the cutting parameters with surface roughness, tool vibration and material removal rate. Consequently, numerical and graphical optimization were performed to obtain the most appropriate cutting parameters to produce the lowest surface roughness with minimal tool vibration and maximum material removal rate using desirability function approach. Finally, confirmation experiments were performed to verify the pertinence of the developed mathematical models.
This article focuses on the study of the buckling behavior of two-dimensional functionally graded (2D-FG) nanosize tubes, including porosity, based on the first shear deformation and higher-order theory of the tube. The nano-scale tube is simulated using the nonlocal gradient strain theory, and the general equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle for the Zhang-Fu's tube model (as a higher-order theory) and Timoshenko beam theory. Finally, the derived equations are solved using a numerical method for both simply-supported and clamped boundary conditions. A parametric study is performed to investigate the effects of different parameters, such as axial and radial FG power indices, porosity parameter, and nonlocal gradient strain parameters, on the buckling behavior of the bi-dimensional functionally graded porous tube. Keywords: Nonlocal strain gradient theory; buckling; Zhang-Fu's tube model; Timoshenko theory; Two-dimensional functionally graded materials; Nanotubes; Higher-order theory.
In this work, transient heat transfer analysis of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced nanocomposite (CNTRC) cylinders with various essential and natural boundary conditions is investigated by a mesh-free method. The cylinders are subjected to thermal flux, convection environments and constant temperature faces. The material properties of the nanocomposite are estimated by an extended micro mechanical model in volume fraction form. The distribution of carbon nanotube (CNT) has a linear variation along the radial direction of axisymmetric cylinder. In the mesh-free analysis, moving least squares shape functions are used for approximation of temperature field in the weak form of heat transform equation and the transformation method is used for the imposition of essential boundary conditions. Newmark method is applied for solution time depended problem. The effects of CNT distribution pattern and volume fraction, cylinder thickness and boundary conditions are investigated on the transient temperature field of the nanocomposite cylinders.
Rahmani, O.;Hosseini, S.A.H.;Ghoytasi, I.;Golmohammadi, H.
Steel and Composite Structures
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v.26
no.5
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pp.607-620
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2018
Vibration analysis of deep curved FG nano-beam has been carried out based on modified couple stress theory. Material properties of curved Timoshenko beam are assumed to be functionally graded in radial direction. Governing equations of motion and related boundary conditions have been obtained via Hamilton's principle. In a parametric study, influence of length scale parameter, aspect ratio, gradient index, opening angle, mode number and interactive influences of these parameters on natural frequency of the beam, have been investigated. It was found that, considering geometrical deepness term leads to an increase in sensitivity of natural frequency about variation of aforementioned parameters.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.21
no.3
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pp.387-393
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2012
It is very difficult to determine suitable cutting conditions in order to obtain accurate cutting profiles because machining errors caused by tool deflection depend upon cutting conditions. In this study the relationship between real cutting profiles (inclined shapes and machining errors) and cutting conditions was modeled in order to fabricate draft angle on micro molds. CCD (Central Composite Design) of DOE (Design Of Experiment) and RSM (Response Surface Method) were applied in order to model the relationship between cutting conditions and machining errors. In order to use CCD the range of radial depth of cut was chosen by $10-90{\mu}m$ and the range of feedrate was chosen by 200-300mm/min, and 9 points of cutting conditions were chosen inside determined ranges. Then, actual cutting processes were carried out as respect to 9 points of cutting conditions, draft angles and real cutting profiles were measured on cutting profiles, each response surface function was determined by conducting response surface analysis and the functions were represented by 3-dimensional graphs, contour lines and $101{\times}101$ matrices. Consequently it is possible to determine suitable cutting conditions in order to obtain arbitrary given draft angles and cutting profiles by using modeling. To validate proposed approach in this study suitable cutting conditions were determined by modeling in order to obtain arbitrary given draft angle and cutting profile, and actual cutting processes were carried out. About 95% of good agreement between predicted and measured values was obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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