A simulation to investigate the thermal behavior in short fiber or whisker reinforced composite materials has been performed for the application to the thermoelastic stress analysis using Finite Element Method (FEM). To obtain the internal field quantities of composite material, the procedure of micromechanical modeling and the principle of virtual work were implemented. For the numerical illustration, an aligned axisymmetric single fiber model has been employed to assess field quantities. It was found that the proposed simulation methodology for thermoelastic stress analysis is applicable to the complicated inhomogeneous solid for the investigation of micromechanical thermoelastic behavior.
The thermoelastic behaviors of an inflatable fabric membrane structure for use in a stratospheric airship envelope are experimentally and numerically investigated. Mechanical tensile properties of the membrane material at room, high, and low temperatures are measured using an $Instron^{(R)}$ universal testing machine and an $Instron^{(R)}$ thermal chamber. To characterize the nonlinear behavior of the inflated membrane structure due to wrinkling, the bending behavior of an inflated cylindrical boom made of a fabric membrane is observed at various pressure levels. Moreover, the envelope of a stratospheric airship is numerically modeled based on the thermoelastic properties of the fabric membrane obtained from experimental data, and the wrinkled deformed shape induced by a thermal load is analyzed.
The objective of this study is to investigate the influence of an inclined load, location, and time on the behavior of a fiber-reinforced visco-thermoelastic half-space. The displacement, stress, and temperature distributions are derived from the normal mode analysis. The problem is analyzed using a three-phase-lag model. MATLAB programming is employed to ascertain the physical fields with appropriate boundary conditions and to perform numerical computations. The outcomes are then examined with different inclination loads, time, and location settings.
본 논문에서는 열화학적 분해 및 열기계학적 변형이 고려된 구성 방정식을 사용하여 다공성 탄소/페놀릭 복합재료의 열탄성 거동을 예측하였다. 다공성 복합재료의 온도 의존성 및 열화학적 분해 과정에서의 기공도, 분해 가스에 의한 기공 압력, 재료의 수축을 고려하였다. 기공도와 기공 압력이 고려된 대표 체적 요소 모델의 유한요소 해석을 통해 산출된 거시적 기공 탄성 계수를 구성 방정식에 적용하였다. 간단한 수치 실험을 통해 기공탄성 계수가 다공성 재료의 열탄성 거동에 미치는 영향을 분석하였으며, 재료 내부에 형성된 기공과 기공 압력에 의한 응력 구배 및 변형을 확인하였다.
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.
Shyam K. Chaudhary;Vishesh R. Kar;Karunesh K. Shukla
Advances in aircraft and spacecraft science
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제10권2호
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pp.127-140
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2023
The present article focuses on the thermoelastic deformation behavior of inhomogeneous functionally graded metal/ceramic cylindrical shell structure with multiple perforations using 2D finite element approximation. Here, cylindrical shell structure is considered with single (1×1) and multiple (2×2, 3×3 and 4×4) perforations. The temperature-dependent elastic and thermal properties of functionally graded material are evaluated using Voigt's micromechanical material scheme via power-law function. The kinematics of the proposed model is based on the equivalent single-layer first-order shear deformation mid-plane theory with five degrees-of-freedom. Here, 2D isoparametric finite element solutions are obtained using eight-node quadrilateral elements. The mesh refinement of present finite element model is performed to confirm the appropriate number of elements and nodes for the analysis purpose. Subsequently, a comparison test is conducted to demonstrate the accuracy of present results. In later section, numerous numerical illustrations are demonstrated at different set of conditions by varying structural, material and loading parameters and that confirms the significance of various parameters such as power-law index, aspect ratio, thickness ratio, curvature ratio, number of perforations and temperature on the deformation characteristics of functionally graded cylindrical shell structure.
A general solution to the field equations of homogeneous isotropic generalized thermoelastic diffusion with two relaxation times (Green and Lindsay theory) has been obtained using the Fourier transform. Assuming the disturbances to be harmonically time.dependent, the transformed solution is obtained in the frequency domain. The application of a time harmonic concentrated and distributed loads have been considered to show the utility of the solution obtained. The transformed components of displacement, stress, temperature distribution and chemical potential distribution are inverted numerically, using a numerical inversion technique. Effect of diffusion on the resulting expressions have been depicted graphically for Green and Lindsay (G-L) and coupled (C-T) theories of thermoelasticity.
This article is concerned with a two-dimensional problem of micropolar generalized thermoelasticity for a half-space whose surface is traction-free and the conductive temperature at the surface of the half-space is known. Theory of two-temperature generalized thermoelasticity with phase lags using the normal mode analysis is used to solve the present problem. The formulas of conductive and mechanical temperatures, displacement, micro-rotation, stresses and couple stresses are obtained. The considered quantities are illustrated graphically and their behaviors are discussed with suitable comparisons. The present results are compared with those obtained according to one temperature theory. It is concluded that both conductive heat wave and thermodynamical heat wave should be separated. The two-temperature theory describes the behavior of particles of elastic body more real than one-temperature theory.
Darwish, Feras H.;Al-Nimr, Mohammad A.;Hatamleh, Mohammad I.
Structural Engineering and Mechanics
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제53권4호
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pp.645-659
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2015
This research investigates the thermoelastic transient behavior of a thermally loaded slab made of a thermal diode-like material which has two directional thermal conductivity values (low and high). Finite difference analysis is used to obtain the elastic response of the slab based on the temperature solutions. It is found that the rate of heat transfer through the thickness of the slab decreases with reducing the ratio between the low and high thermal conductivity values (R). In addition, reducing R makes the slab less responsive to the thermal load when heated from the direction associated with the low thermal conductivity value.
The objective of this paper is to study the two dimensional deformation in transversely isotropic thermoelastic medium without energy dissipation due to time harmonic sources using new modified couple stress theory, a continuum theory capable to predict the size effects at micro/nano scale. The couple stress constitutive relationships have been introduced for transversely isotropic thermoelastic medium, in which the curvature tensor is asymmetric and the couple stress moment tensor is symmetric. Fourier transform technique is applied to obtain the solutions of the governing equations. Assuming the deformation to be harmonically time-dependent, the transformed solution is obtained in the frequency domain. The application of a time harmonic concentrated and distributed sources have been considered to show the utility of the solution obtained. The displacement components, stress components, temperature change and couple stress are obtained in the transformed domain. A numerical inversion technique has been used to obtain the solutions in the physical domain. The effects of angular frequency are depicted graphically on the resulted quantities.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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