A great deal of attention is focused on coupled Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behavior of multiphase porous media in diverse geo-mechanical and geo-environmental areas. This paper presents general governing equations for coupled THM processes in unsaturated porous media. Coupled partial differential equations are derived from 3 mass balances equations (solid, water, and air), energy balance equation, and force equilibrium equation. Finite element code is developed from the Galerkin formulation and time integration of these governing equations for 4 main variables (displacement $\underline{u}$, gas pressure $P_g$, liquid pressure $P_l$), and temperature T). The code is validated with theoretical solutions for linear material with simple boundary conditions.
Process behavior in metal cutting results from the chip formation process which is not easily observable and measurable during machining. By means of the finite element method chip formation in orthogonal metal cutting is modeled. The reciprocal interaction between mechanical and thermal loads is taken into consideration by involving the thermo-viscoplastic flow behavior of workpiece material. Local and temporal distributions of stress and temperature in the cutting zone are calculated depending on the cutting parameters. The calculated cutting forces and temperatures are compared with the experimental results obtarned from orthogonal cutting of steel AISl 4140. The model can be applied in process design for selection of appropriate tool-workpiece combination and optimum cutting conditions in term of mechanical and thermal loads.
This study examined the effect of nanoclays on the shape memory behavior of polyurethane (PU) in fibrous form. A cation was introduced into the PU molecules to disperse the organo-nanoclay (MMT) into poly($\varepsilon$-caprolactone) (PCL)-based PU (PCL-PU). The MMT/PCL-PU nanocomposites were then spun into fibers through melt-processing. The shape memory performance of the spun fibers was examined using a variety of thermo-mechanical tests including a new method to determine the transition temperature of shape memory polymers. The MMTs showed an improved the fixity strain rate of the MMT /PCL- PU fibers but a slight decrease in their recovery strain rate. This was explained by the limited movement of PU molecules due to the presence of nanoclays. The shape memory performance of the MMT/PCL-PU fibers was not enhanced significantly by the nanoclays. However, their recovery power was improved significantly up to a strain of approximately 50%.
Mirjavadi, Seyed Sajad;Afshari, Behzad Mohasel;Shafiei, Navvab;Hamouda, A.M.S.;Kazemi, Mohammad
Steel and Composite Structures
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제25권4호
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pp.415-426
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2017
The thermo-mechanical vibration behavior of two dimensional functionally graded (2D-FG) porous nanobeam is reported in this paper. The material properties of the nanobeam are variable along thickness and length of the nanobeam according to the power law function. The nanobeam is modeled within the framework of Timoshenko beam theory. Eringen's nonlocal elasticity theory is used to develop the governing equations. Using the generalized differential quadrature method (GDQM) the governing equations are solved. The effect of porosity, temperature distribution, nonlocal value, L/h, FG power indexes along thickness and length and are investigated using parametric studies.
The linear constitutive relations and the failure criteria of composite materials made of thermoviscoelastic solids are presented. The post-failure material behavior is proposed and the dynamic finite element equations are formulated. However, a nonlinear term is kept in the energy equation because it represents the effect of the second law of thermodynamics. A general purpose nonlinear three-dimensional dynamic finite element program COMPASS is upgraded and employed in this work to investigate the interdependence among stress wave propagation, stress concentration, failure progression and temperature elevation in composite materials. The consequence of truthfully incorporating the second law of thermodynamics is clearly observed: it will always cause temperature rise if there exists a dynamic mechanical process.
In this article, experimental training of the commercial available shape memory alloy fibre (SMA) fibre under the combined thermomechanical loading is reported. SMA has the ability to sense a small change in temperature (${\geq}10^{\circ}C$) and activated under the external loading and results in shape change. The thermomechanical characteristics of SMA at different temperature and mechanical loading are obtained through an own lab-scale experimental setup. The analysis is conducted for two types of the medium using the liquid nitrogen (cold cycle) and the hot water (heat cycle). The experimental data indicate that SMA act as a normal wire for Martensite phase and activated behavior i.e., regain the original shape during the Austenite phase only. To improve the confidence of such kind of behavior has been verified by inspecting the composition of the wire. The study reveals interesting conclusion i.e., while SMA deviates from the equiatomic structure or consist of foreign materials (carbon and oxygen) except nickel and titanium may affect the phase transformation temperature which shifted the activation phase temperature. Also, the grain structure distortion of SMA wire has been examined via the scanning electron microscope after the thermomechanical cycle loading and discussed in details.
The integrity of laser welded structures is decided with fracture strength and fatigue strength. This study presents fracture behavior considering residual stress in the laser welding. Experiments are conducted and analyses are performed to explore the influence of residual stress on fracture behavior of bead-on laser welded compact specimen. Fracture experiments are performed using ASTM 1820. The performed analyses included thermo-elasto-plastic analyses for residual stress and subsequent J-integral calculation. A modified J integral is calculated in the presence of residual stresses. The J-integral is path-independent for combination of residual stress field and stress due to mechanical loading. The results indicates that the tensile residual stress near crack front bring the low fracture load while the compressive residual stress bring the high fracture load compared to no residual stress specimen. These results quantitatively understand the influence of residual stress on fracture behavior.
원자력 발전소의 반응로에는 핵분열 에너지를 생성하고 방사성 물질의 유출을 막는 핵연료 집합체가 있으며, 이러한 집합체는 핵연료와 피복관으로 구성되어 있는 핵 연료봉으로 구성되어 있다. 원자로에서 핵연료봉 거동의 안전성을 평가하기 위해 해석적인 방법을 적용하며 이러한 평가 코드를 핵 연료 성능 코드라 한다. 경수로 핵연료 해석에서는 간극의 두께에 따라 열전도도가 크게 영향을 받는 간극 열전도도가 주요 거동해석에 영향을 미친다. 본 연구에서는 간극 두께에 따라 열전도도가 변화하는 3 차원 간극 요소(Gap element)를 제안하였으며, 이를 적용하기 위해 3 차원 열탄성 모듈을 FORTRAN90을 이용하여 개발하였다. 제안된 3 차원 간극 요소를 이용하여 핵 연료봉에서 발생할 수 있는 비대칭적인 형상인 핵 연료 표면에 결함이 생긴 경우 MPS(Missing Pellet Surface)와 핵연료봉의 편심(Eccentricity of the nuclear fuel rod) 형상에 대하여 3 차원 해석을 진행하였다.
Eun, WonJong;Kim, JaeWon;Kwon, Oh-Joon;Chung, Chanhoon;Shin, Sang-Joon;Bauchau, Olivier A.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제18권1호
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pp.70-81
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2017
Various components of an engine nozzle are modeled as flexible multi-body components that are operated under high temperature and pressure. In this paper, in order to predict complex behavior of an engine nozzle, thermo-fluid-flexible multi-body dynamics coupled analysis framework was developed. Temperature and pressure on the nozzle wall were obtained by the steady-state flow analysis for a two-dimensional nozzle. The pressure and temperature-dependent material properties were delivered to the flexible multi-body dynamics analysis. Then the deflection and strain distribution for a nozzle configuration was obtained. Heat conduction and thermal analyses were done using MSC.NASTRAN. The present framework was validated for a simple nozzle configuration by using a one-way coupled analysis. A two-way coupled analysis was also performed for the simple nozzle with an arbitrary joint clearance, and an asymmetric flow was observed. Finally, the total strain result for a realistic nozzle configuration was obtained using the one-way and two-way coupled analyses.
This paper presents a theoretical investigation on the response of the thermo-mechanical bending of FG plate on variable elastic foundation. A quasi-3D higher shear deformation theory is used that contains undetermined integral forms and involves only four unknowns to derive. The FG plates are supposed simply supported with temperature-dependent material properties and subjected to nonlinear temperature rise. Various homogenization models are used to estimate the effective material properties such as temperature-dependent thermoelastic properties. Equations of motion are derived from the principle of virtual displacements and Navier's solution is used to solve the problem of simply supported plates. Numerical results for deflections and stresses of FG plate with temperature-dependent material properties are investigated. It can be concluded that the proposed theory is accurate and simple in solving the thermoelastic bending behavior of FG thick plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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