This article investigates the thermal and post-buckling problems of graphene platelets reinforced metal foams (GPLRMF) beams with initial geometric imperfection. Three distribution forms of graphene platelet (GPLs) and foam are employed. This article utilizes the mixing law Halpin Tsai model to estimate the physical parameters of materials. Considering three different boundary conditions, we used the Euler beam theory to establish the governing equations. Afterwards, the Galerkin method is applied to discretize these equations. The correctness of this article is verified through data analysis and comparison with the existing articles. The influences of geometric imperfection, GPL distribution modes, boundary conditions, GPLs weight fraction, foam distribution pattern and foam coefficient on thermal post-buckling are analyzed. The results indicate that, perfect GPLRMF beams do not undergo bifurcation buckling before reaching a certain temperature, and the critical buckling temperature is the highest when both ends are fixed. At the same time, the structural stiffness of the beam under the GPL-A model is the highest, and the buckling response of the beam under the Foam-II mode is the lowest, and the presence of GPLs can effectively improve the buckling strength.
In this paper, the thermal post-buckling behavior of graphene platelets reinforced metal foams (GPLRMFs) plate with initial geometric imperfections on nonlinear elastic foundations are studied. First, the governing equation is derived based on the first-order shear deformation theory (FSDT) of plate. To obtain a single equation that only contains deflection, the Galerkin principle is employed to solve the governing equation. Subsequently, a comparative analysis was conducted with existing literature, thereby verifying the correctness and reliability of this paper. Finally, considering three GPLs distribution types (GPL-A, GPL-B, and GPL-C) of plates, the effects of initial geometric imperfections, foam distribution types, foam coefficients, GPLs weight fraction, temperature changes, and elastic foundation stiffness on the thermal post-buckling characteristics of the plates were investigated. The results show that the GPL-A distribution pattern exhibits the best buckling resistance. And with the foam coefficient (GPLs weight fraction, elastic foundation stiffness) increases, the deflection change of the plate under thermal load becomes smaller. On the contrary, when the initial geometric imperfection (temperature change) increases, the thermal buckling deflection increases. According to the current research situation, the results of this article can play an important role in the thermal stability analysis of GPLRMFs plates.
There are many methods to produce metal foams, which can be classified into three groups according to the state of the starting metal i.e. liquid or powder or solid. Three types of defects such as cell closing, cell deformation or breakdown and cell misrun are thought to be occurred when we make the open cell aluminum foams by precision casting. Filling ability of the mold slurry between preform is related with cell closing, mold collapsibility is related with cell deformation or breakdown, mold temperature and pouring pressure are related with cell misrun. These factors can be evaluated by measuring slurry fluidity, burnout strength and permeability of the mold. Properties of the plaster mold were evaluated to find optimum mold conditions for high quality open cell aluminum foam in this study. Permeability was almost zero independent of burnout conditions, however, crack initiation was found on the surface of all specimens one or two minutes after taking out from the furnace. Crack has grown and disappeared with time. This crack may facilitate the mold filling when molten metal is poured, because of the improved mold permeability. It was considered that crack initiation and disappearance was closely related with temperature difference between the surface and inner part. Knocking-out the mold is a difficult problem due to the small cell size, because continuous mesh structure of the metal foam is not strong. It is not easy to remove molding material after pouring. We can expect that water quenching can facilitate the knocking-out the mold after solidification without damaging cell structures. Collapsed particles after water quenching became bigger with the increase in time.
분리판은 반응물 및 전자를 전달하고 부산물인 물과 열을 배출하며, 막전극접합체의 지지체 역할을 하는 고분자전해질 연료전지의 핵심 구성요소이다. 따라서 분리판의 유로 구조는 연료전지의 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 압축률이 다른 구리 폼을 cathode 분리판에 적용한 25 cm2 단위 전지를 이용하여 성능 평가를 수행하였다. 금속 폼의 압축률이 증가할수록 총 저항이 감소하였으며, 특히 전하전달과 물질전달 저항이 사형 유로에 비해 크게 개선되어 중전류밀도 및 고전류밀도 영역에서 전압 손실을 줄일 수 있었다. 가압한 공기를 사용한 사형 유로 구조의 경우 연료전지의 성능이 압축한 금속 폼(S3)을 적용한 유로와 중전류밀도 영역까지는 큰 차이가 없었으나, 고전류밀도 영역에서는 유로 구조의 한계로 낮은 성능을 보였다.
Boundary condition is an important factor affecting the vibration characteristics of structures, under different boundary conditions, structures will exhibit different vibration behaviors. On the basis of the previous work, this paper extends to the nonlinear resonance behavior of axially moving graphene platelets reinforced metal foams (GPLRMF) plates with geometric imperfection under different boundary conditions. Based on nonlinear Kirchhoff plate theory, the motion equations are derived. Considering three boundary conditions, including four edges simply supported (SSSS), four edges clamped (CCCC), clamped-clamped-simply-simply (CCSS), the nonlinear ordinary differential equation system is obtained by Galerkin method, and then the equation system is solved to obtain the nonlinear ordinary differential control equation which only including transverse displacement. Subsequently, the resonance response of GPLRMF plates is obtained by perturbation method. Finally, the effects of different boundary conditions, material properties (including the GPLs patterns, foams distribution, porosity coefficient and GPLs weight fraction), geometric imperfection, and axial velocity on the resonance of GPLRMF plates are investigated.
Fenjan, Raad M.;Ahmed, Ridha A.;Hamad, Luay Badr;Faleh, Nadhim M.
Advances in Computational Design
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제5권4호
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pp.349-362
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2020
Dynamic characteristics of a scale-dependent porous metal foam cylindrical shell under a traveling load have been explored within this article based on a numerical approach. Within the material texture of the metal foams, uniform and non-uniform porosities may be dispersed. Based upon differential quadrature method (DQM) and Laplace transforms, the equations of motion for a shear deformable scale-dependent shell may be solved numerically. Scale-dependent shell modeling has been provided based upon strain gradient elasticity. Solving the equations will give the shell deflection as a function of load speed. Also, it is reported that shell deflection relies on the porosity dispersion and strain gradient influences.
메탈폼은 매우 많은 기공을 포함하는 세포상 구조를 갖는 고체금속을 일컫는다. 특히 관통 기공 같은 개기공들은 고온용 필터 및 촉매 지지체 등으로 산업적으로 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 슬러리 코팅공정으로 90% 이상의 기공율과 2 mm 이상의 기공크기를 갖는 Fe 폼을 제조하였다. 이때 Fe 분말과 $Fe_2O_3$ 분말의 혼합비를 달리하여 기공율과 기공크기를 제어하였다. 이를 위해 우선 분말, 증류수 및 폴리비닐알콜(PVA)를 균일하게 혼합하여 슬러리를 제조하였다. $Fe_2O_3$ 분말의 혼합 비율이 증가할수록 PU 폼에 코팅된 슬러리의 양이 증가한 반면 Fe 폼의 수축 및 기공율은 각각 감소하였다.
Single cell of PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell) is composed of bipolar plates, gasket, GDL and the MEA. Bipolar plate's function is the collecting electricity, helping oxygen/hydrogen gas diffuse evenly and draining the water and heat. In this work, we have conducted experiments to low contact resistance and improve the performance of a $25cm^2$ single cell by using metal forms. We have following experimental cases: 1) Conventional graphite serpentine channel bipolar plate; 2) Channel-less bipolar plate with nickel(Ni) based metal foam which coated by various materials. We focused the difference in contact resistance and performance of the single cell with metal foam depending on various coating materials. The experimental results show the similar performance of single cells between with serpentine channel bipolar plates and with channel-less bipolar plate using metal foams. In addition, single cell with metal foam shows potential to higher performance than conventional channel.
Ahmed, Ridha A.;Mustafa, Nader M.;Faleh, Nadhim M.;Fenjan, Raad M.
Structural Engineering and Mechanics
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제76권3호
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pp.413-420
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2020
Considering inverse cotangential shear strain function, the present paper studies nonlinear stability of nonlocal higher-order refined beams made of metal foams based on Chebyshev-Ritz method. Based on inverse cotangential beam model, it is feasible to incorporate shear deformations needless of shear correction factor. Metal foam is supposed to contain different distributions of pores across the beam thickness. Also, presented Chebyshev-Ritz method can provide a unified solution for considering various boundary conditions based on simply-supported and clamped edges. Nonlinear effects have been included based upon von-karman's assumption and nonlinear elastic foundation. The buckling curves are shown to be affected by pore distribution, geometric imperfection of the beam, nonlocal scale factor, foundation and geometrical factors.
In this paper, a size-dependent dynamic investigation of a porous metal foams microbeamsis presented. The novelty of this study is to use a metal foam microbeam that contain porosities based on the refined high order shear deformation beam model, with sinusoidal shear strain function, and the modified strain gradient theory (MSGT) for the first time. The Lagrange's principle combined with differential quadrature hierarchicalfinite element method (DQHFEM) are used to obtain the porous microbeam governing equations. The solutions are presented for the natural frequencies of the porous and homogeneoustype microbeam. The obtained results are validated with the analytical methods found in the literature, in order to confirm the accuracy of the presented resolution method. The influences of the shape of porosity distribution, slenderness ratio, microbeam thickness, and porosity coefficient on the free vibration of the porous microbeams are explored in detail. The results of this paper can be used in various design formetallic foammicro-structuresin engineering.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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