Hu, J.;Sundararaman, S.;Menta, V.G.K.;Chandrashekhara, K.;Chernicoff, William
Advanced Composite Materials
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제18권3호
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pp.233-249
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2009
Safe installation and operation of high-pressure composite cylinders for hydrogen storage are of primary concern. It is unavoidable for the cylinders to experience temperature variation and significant thermal input during service. The maximum failure pressure that the cylinder can sustain is affected due to the dependence of composite material properties on temperature and complexity of cylinder design. Most of the analysis reported for high-pressure composite cylinders is based on simplifying assumptions and does not account for complexities like thermo-mechanical behavior and temperature dependent material properties. In the present work, a comprehensive finite element simulation tool for the design of hydrogen storage cylinder system is developed. The structural response of the cylinder is analyzed using laminated shell theory accounting for transverse shear deformation and geometric nonlinearity. A composite failure model is used to evaluate the failure pressure under various thermo-mechanical loadings. A back-propagation neural network (NNk) model is developed to predict the maximum failure pressure using the analysis results. The failure pressures predicted from NNk model are compared with those from test cases. The developed NNk model is capable of predicting the failure pressure for any given loading condition.
The present paper addresses a general formulation for the thermo elastic analysis of a functionally graded cylindrical shell subjected to external loads. The shear deformation theory and energy method is employed for this purpose. This method presents the final relations by using a set of second order differential equations in terms of integral of material properties along the thickness direction. The proposed formulation can be considered for every distribution of material properties, whether functional or non functional. The obtained formulation can be used for manufactured materials or structures with numerical distribution of material properties which are obtained by using the experiments. The governing differential equation is applied for two well-known functionalities and some previous results are corrected with present true results.
The present paper aims to study the influence of the magnetic field and initial stress on the 2-D problem of generalized thermo-viscoelastic material with voids subject to thermal loading by a laser pulse in the context of the Lord-Shulman and the classical dynamical coupled theories. The analytical expressions for the physical quantities are obtained in the physical domain by using the normal mode analysis. These expressions are calculated numerically for a specific material and explained graphically. Comparisons are made with the results predicted by the Lord-Shulman and the coupled theories in the presence and absence of the initial stress and the magnetic field.
In this article, hygro-thermo-mechanical vibration and buckling of exponentially graded (EG) nanoplates resting on two-parameter Pasternak foundations are studied using the four-unknown shear deformation plate theory. The material properties are presumed to change only in the thickness direction of the EG nanoplate according to two exponential laws distribution. The boundary conditions of the nanoplate may be simply supported, clamped, free or combination of them. To consider the small scale effect on forced frequencies and buckling, Eringen's differential form of nonlocal elasticity theory is employed. The accuracy of the present study is investigated considering the available solutions in literature. A detailed analysis is executed to study the influences of the plate aspect ratio, side-to-thickness ratio, temperature rise, moisture concentration and volume fraction distributions on the vibration and buckling of the nanoplates.
Asrari, Reza;Ebrahimi, Farzad;Kheirikhah, Mohammad Mahdi
Structural Engineering and Mechanics
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제75권6호
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pp.659-674
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2020
The present paper employs nonlocal strain gradient theory (NSGT) to study buckling behavior of functionally graded magneto-electro-thermo-elastic (FG-METE) nanoshells under various physical fields. NSGT modeling of the nanoshell contains two size parameters, one related to nonlocal stress field and another related to strain gradients. It is considered that mechanical, thermal, electrical and magnetic loads are exerted to the nanoshell. Temperature field has uniform and linear variation in nanoshell thickness. According to a power-law function, piezo-magnetic, thermal and mechanical properties of the nanoshell are considered to be graded in thickness direction. Five coupled governing equations have been obtained by using Hamilton's principle and then solved implementing Galerkin's method. Influences of temperature field, electric voltage, magnetic potential, nonlocality, strain gradient parameter and FG material exponent on buckling loads of the FG-METE nanoshell have been studied in detail.
Ebrahimi, Farzad;Hosseini, S. Hamed S.;Selvamani, Rajendran
Structural Engineering and Mechanics
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제73권5호
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pp.565-584
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2020
The nonlinear thermo-electro-elastic buckling behavior of viscoelastic nanoplates under magnetic field is investigated based on nonlocal elasticity theory. Employing nonlinear strain-displacement relations, the geometrical nonlinearity is modeled while governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi-analytical generalized differential quadrature (GDQ) method. Eringen's nonlocal elasticity theory considers the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nano-sensors and nano actuators. Based on Kelvin-Voigt model, the influence of the viscoelastic coefficient is also discussed. It is demonstrated that the GDQ method has high precision and computational efficiency in the buckling analysis of viscoelastic nanoplates. The good agreement between the results of this article and those available in literature validated the presented approach. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as electric voltage, small scale effects, elastomeric medium, magnetic field, temperature effects, the viscidity and aspect ratio of the nanoplate on its nonlinear buckling characteristics. It is explicitly shown that the thermo-electro-elastic nonlinear buckling behavior of viscoelastic nanoplates is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of viscoelastic nanoplates as fundamental elements in nanoelectromechanical systems.
The internal residual stresses within the multilayered structure with shan interface induced by the difference in thermal expansion coefficient between the materials of adjacent layers often provide the source of failure such as delamination of interfaces and etc. Recent development of the multilayered structure with functionally graded interface would be the solution to prevent this kind of failure. However a systematic thermo-mechanical analysis is needed fur the customized structural design of multilayered structure. In this study, theoretical model for the thermo-mechanical analysis is developed for multilayered structures of the Al-$SiC_p$ functionally graded composite for electronic packaging. The evolution of curvature and internal stresses in response to temperature variations is presented for the different combinations of geometry. The resultant analytical solutions are used for the optimal design of the multilayered structures with functionally graded interface as well as with sharp interface.
In this paper, an analytical solution of displacement, strain and stress field for rotating thick-walled cylinder made of functionally graded material subjected to the uniform external magnetic field and thermal field in plane strain state has been studied. Stress, strain and displacement field as a function of radial coordinates considering magneto-thermo-elasticity are derived analytically. According to the Maxwell electro-dynamic equations, Lorentz force in term of displacement is obtained in cylindrical coordinates. Also, symmetric temperature distribution along the thickness of hollow cylinder is obtained by solving Fourier heat transfer equation in cylindrical coordinates. Using equation of equilibrium and thermo-mechanical constitutive equations associated with Lorentz force, a second-order inhomogeneous differential equation in term of displacement is obtained and will be solved analytically. Except Poisson's ratio, other mechanical properties such as elasticity modulus, density, magnetic permeability coefficient, heat conduction coefficient and thermal expansion coefficient are assumed to vary through the thickness according to a power law. In results analysis, non-homogeneity parameter has been chosen arbitrary and inner and outer surface of cylinder are assumed to be rich metal and rich ceramic, respectively. The effect of rotation, thermal, magnetic field and non-homogeneity parameter of functionally graded material which indicates percentages of cylinder's constituents are studied on displacement, Von Mises equivalent stress and Von Mises equivalent strain fields.
Using an efficient adjoint variable method, we develop a unified design sensitivity analysis (DSA) method considering both steady state nonlinear heat conduction and geometrical nonlinear elasticity problems. Design sensitivity expressions with respect to thermal conductivity and Young's modulus are derived. Beside the temperature and displacement adjoint equations, another coupled one is defined regarding the obtained adjoint displacement field as the adjoint load in temperature field. The developed DSA method is shown to be very efficient and further extended to a topology design optimization method for the nonlinear weakly coupled thermo-elasticity problems using a density approach.
In this study, a new modeling framework for predicting temperature and structural behaviors of structures under fire condition is proposed. The proposed modeling framework including fire simulation, heat transfer and structural analysis is applied to simulate fire tests performed on the steel-concrete composite structures in Cardington, UK, for model validations. Good predictions are shown for spatial-temporal temperatures and deflections of fire-damaged steel-concrete structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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