Надіслати цю статтю Температурні поля, які не викликають напружень в неоднорідному осесиметричному порожнистому циліндрі
Анотація
Розглядається задача про визначення температурного поля, яке не викликає термонапружень у скінченному порожнистому осесиметричному циліндрі з характеристиками матеріалу, залежними від двох координат. Між циліндром і середовищем відбувається конвективний теплообмін, а усталена теплопередача в циліндрі відбувається за законом Фур’є. Отримано точний аналітичний розв’язок задачі, який виражається через функції нормального розподілу Ґаусса, для двокомпонентних функціонально-ґрадієнтних матеріалів з теплофізичними параметрами, що описуються за моделлю простої суміші. Показано, що такий розв’язок існує при певних зв’язках між коефіцієнтами лінійного теплового розширення і теплопровідності складових з узгодженням температур середовища на перетинах поверхонь циліндра. Розрахунки вказують на можливість забезпечення відсутності термонапружень у циліндрі, виготовленому з реально існуючих матеріалів, при перепадах температур між поверхнями циліндра у декілька сотень градусів.
Зразок для цитування: Б. М. Калиняк, “Температурні поля, які не викликають напружень в неоднорідному осесиметричному порожнистому циліндрі,” Мат. методи та фіз.-мех. поля, 64, No. 1, 149–160 (2021), https://doi.org/10.15407/mmpmf2021.64.1.149-160
Translation: B. M. Kalynyak, “Temperature fields that do not cause stresses in an inhomogeneous axisymmetric hollow cylinder,” J. Math. Sci., 274, No. 5, 761–775 (2023), https://doi.org/10.1007/s10958-023-06634-4
Ключові слова
Посилання
Yu. A. Amenzade, Theory of Elasticity [in Russian], Vyssh. Shkola, Moscow (1976).
A. Ya. Dorogovtsev, Mathematical Analysis [in Russian], Part 2, Lybid’, Kyiv (1994).
B. M. Kalynyak, “Guaranteeing the absence of radial stresses in a long hollow cylinder by the inhomogeneity of material,” Fiz.-Khim. Mekh. Mater., 52, No. 2, 104–110 (2016); English translation: Mater. Sci., 52, No. 2, 261–268 (2016), https://doi.org/10.1007/s11003-016-9953-x.
B. M. Kalynyak, “Attainment of zero radial stresses in inhomogeneous long hollow cylinders by stationary temperature fields,” Fiz.-Khim. Mekh. Mater., 52, No. 1, 91–97 (2016); English translation: Mater. Sci., 52, No. 1, 99–107 (2016), https://doi.org/10.1007/s11003-016-9931-3
R. M. Kushnir, V. S. Popovych, A. V. Yasinskyy, Optimization and Identification in Thermomechanics of Inhomogeneous Bodies, Vol. 5 of Ya. Yo. Burak, R. M. Kushnir (eds), Modeling and Optimization in Thermomechanics of Electroconductive Inhomogeneous Bodies [in Ukrainian], Spolom, Lviv (2011).
E. Melan and H. Parkus, Thermoelastic Stresses Caused by Stationary Temperature Fields [Russian translation] Fizmatgiz, Moscow (1958); Wärmespannungen infolge stationärer Temperaturfelder, Springer–Verlag, Wien (1953).
Ya. S. Pidstrygach, Selected Works [in Ukrainian], Nauk. Dumka, Kyiv (1995).
V. H. Shevchenko, O. H. Popovych, “Method of calculation of coating composition for minimization of thermal stress in the coating,” Vestn. Dvigatelestrojenija, No. 1, 96–98 (2010).
M. F. Ashby, Materials and the Environment: Eco-informed Material Choice, Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., Amsterdam (2013).
A. Bejan, A. D. Kraus, Heat Transfer Handbook, Wiley, Hoboken (2003).
V. Birman, L. W. Byrd, “Modeling and analysis of functionally graded materials and structures,” Appl. Mech. Rev., 60, No. 5, 195–216 (2007), https://doi.org/10.1115/1.2777164
S. Ding, C.-P. Wu, “Optimization of material composition to minimize the thermal stresses induced in FGM plates with temperature-dependent material properties,” Int. J. Mech. Mater. Des., 14, No. 4, 527–549 (2018), https://doi.org/10.1007/s10999-017-9388-z
V. M. Franco Correia, J. F. Aguilar Madeira, A. L. Araújo, C. M. Mota Soares, “Multiobjective optimization of ceramic-metal functionally graded plates using a higher order model,” Compos. Struct., 183, 146–160 (2018), https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.02.013
M. Gautam, M. Chaturvedi, “Optimization of FGM composition for better environment material,” IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 1017, Art. 012024 (2021), https://doi.org/10.1088/1757-899X/1017/1/012024
Myer Kutz (ed.), Handbook of Environmental Degradation of Materials, William Andrew, Norwich (2005).
R. Kayikci, Ö. Savaş, “Fabrication and properties of functionally graded Al/AlB2 composites,” J. Compos. Mater., 49, No. 16, 2029–2037 (2014), https://doi.org/10.1177/0021998314541490
X. Y. Kou, G. T. Parks, S. T. Tan, “Optimal design of functionally graded materials using a procedural model and particle swarm optimization,” Computer-Aided Design, 44, No. 4, 300–310 (2012), https://doi.org/10.1016/j.cad.2011.10.007
Q. X. Lieu, J. Lee, “Modeling and optimization of functionally graded plates under thermo-mechanical load using isogeometric analysis and adaptive hybrid evolutionary firefly algorithm,” Compos. Struct., 179, 89–106 (2017), https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.07.016
R. M. Mahamood, E. T. Akinlabi, Functionally Graded Materials, Springer, Cham (2017).
R. M. Mahamood, E. T. Akinlabi, M. Shukla, S. L. Pityana, “Functionally graded material: An overview,” in: Proc. of the World Congress on Engineering WCE-2012 (4–6 July 2012, London), Vol. III, pp. 1593–1597, http://hdl.handle.net/10204/6548
Mahmoud Nemat-Alla, “Reduction of thermal stresses by composition optimization of two-dimensional functionally graded materials,” Acta Mech., 208, No. 3-4, 147–161 (2009), https://doi.org/10.1007/s00707-008-0136-1
Mechanical & Industrial Ceramics, Kyocera Corporation, Japan (2021), https://global.kyocera.com/prdct/fc/product/pdf/mechanical.pdf
O. Mohammadiha, H. Ghariblu, “Crush behavior optimization of multi-tubes filled by functionally graded foam,” Thin-Walled Struct., 98, Part B, 627–639 (2016), https://doi.org/10.1016/j.tws.2015.10.025
K. S. Na, J. H. Kim, “Volume fraction optimization of functionally graded composite panels for stress reduction and critical temperature,” Finite Elem. Anal. Des., 45, No. 11, 845–851 (2009), https://doi.org/10.1016/j.finel.2009.06.023
M. Naebe, K. Shirvanimoghaddam, “Functionally graded materials: A review of fabrication and properties,” Appl. Mater. Today, 5, 223–245 (2016), https://doi.org/10.1016/j.apmt.2016.10.001
Y. J. Noh, Y. J. Kang, S. J. Youn, J. R. Cho, O. K. Lim, “Reliability-based design optimization of volume fraction distribution in functionally graded composites,” Comput. Mater. Sci., 69, 435–442 (2013), https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.12.003
J. N. Reddy, C. D. Chin, “Thermomechanical analysis of functionally graded cylinders and plates,” J. Therm. Stresses, 21, No. 6, 593–626 (1998), https://doi.org/10.1080/01495739808956165
C. M. C. Roque, P. A. L. S. Martins, “Differential evolution for optimization of functionally graded beams,” Compos. Struct., 133, 1191–1197 (2015), https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.08.041
A. Saiyathibrahim, S. S. Mohamed Nazirudeen, P. Dhanapal, “Processing techniques of functionally graded materials – A review,” in: Proc. Int. Conference on Systems, Science, Control, Communication, Engineering and Technology – ICSSCCET-2015, (10–11 August 2015, Coimbatore, India), Vol. 1, pp. 98–105.
Y. M. Shabana, A. Elsawaf, H. Khalaf, Y. Khalil, “Stresses minimization in functionally graded cylinders using particle swarm optimization technique,” Int. J. Pres. Vessels Pip., 154, 1–10 (2017), https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2017.05.013
J. X. Shi, M. Shimoda, “Interface shape optimization of designing functionally graded sandwich structures,” Compos. Struct., 125, 88–95 (2015), https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.01.045
Y. Tokovyy, C.-C. Ma, The Direct Integration Method for Elastic Analysis of Nonhomogeneous Solids, Cambridge Scholars Publishing, Cambridge (2021).
J. Wang, L. L. Shaw, “Fabrication of functionally graded materials via inkjet color printing,” J. Am. Ceram. Soc., 89, No. 10, 3285–3289 (2006), https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01206.x
R. C. Wetherhold, S. Seelman, J. Wang, “The use of functionally graded materials to eliminate or control thermal deformation,” Compos. Sci. Technol., 56, No. 9, 1099–1104 (1996), https://doi.org/10.1016/0266-3538(96)00075-9
A. Yasinskyy, “Determination and optimization of stress state of bodies on the basis of inverse thermoelasticity problems,” in: R. B. Hetnarski (ed.), Encyclopedia of Thermal Stresses, Vol. 2, Springer, Dordrecht (2014), pp. 916–924; https://doi.org/10.1007/978-94-007-2739-7_607
Посилання
- Поки немає зовнішніх посилань.
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution 3.0 License.