Advanced Thermal Stress Analysis of Smart Materials and Structures pdf by Abdolhamid Akbarzadeh and Zengtao Chen

Advanced Thermal Stress Analysis of Smart Materials and Structures
by Abdolhamid Akbarzadeh and Zengtao Chen
Advanced Thermal Stress Analysis of Smart Materials and Structures

Contents

1 Heat Conduction and Moisture Diffusion Theories . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Heat Conduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Fourier Heat Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Non-Fourier Heat Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Moisture Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Fickian Moisture Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2 Non-Fickian Moisture Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Basic Problems of Non-Fourier Heat Conduction . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Laplace Transform and Laplace Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Fast Laplace Inverse Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Reimann Sum Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3 Laplace Inversion by Jacobi Polynomial . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Non-Fourier Heat Conduction in a Semi-infinite Strip . . . . . . . . . . 26
2.4 Nonlocal Phase-Lag Heat Conduction in a Finite Strip . . . . . . . . . 31
2.4.1 Molecular Dynamics to Determine Correlating
Nonlocal Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 Three-Phase-Lag Heat Conduction in 1D Strips, Cylinders,
and Spheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.1 Effect of Bonding Imperfection on Thermal Wave
Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.2 Effect of Material Heterogeneity on Thermal Wave
Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.3 Thermal Response of a Lightweight Sandwich Circular
Panel with a Porous Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6 Dual-Phase-Lag Heat Conduction in Multi-dimensional Media . . . 53
2.6.1 DPL Heat Conduction in Multi-dimensional Cylindrical
Panels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.6.2 DPL Heat Conduction in Multi-dimensional Spherical
Vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3 Multiphysics of Smart Materials and Structures . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1 Smart Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.1 Piezoelectric Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.2 Magnetoelectroelastic Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.3 Advanced Smart Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2 Thermal Stress Analysis in Homogenous Smart Materials . . . . . . . 74
3.2.1 Solution for the a Thermomagnetoelastic
FGM Cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2 Solution for Thermo-Magnetoelectroelastic
Homogeneous Cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.3 Benchmark Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3 Thermal Stress Analysis of Heterogeneous Smart Materials. . . . . . 90
3.3.1 Solution Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.3.2 Benchmark Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.4 Effect of Hygrothermal Excitation on One-Dimensional Smart
Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4.1 Solution Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.4.2 MEE Hollow Cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4.3 MEE Solid Cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4.4 Benchmark Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.5 Remarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4 Coupled Thermal Stresses in Advanced Smart Materials . . . . . . . . . 119
4.1 Functionally Graded Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2 Hyperbolic Coupled Thermopiezoelectricity
in One-Dimensional Rod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.2 Homogeneous Rod Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.2.3 Solution Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3 Hyperbolic Coupled Thermopiezoelectricity in Cylindrical
Smart Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.3.2 Hollow Cylinder Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.3.3 Solution Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.4 Coupled Thermopiezoelectricity in One-Dimensional
Functionally Graded Smart Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.4.2 The Functionally Graded Rod Problem . . . . . . . . . . . . . . 147
4.4.3 Solution Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.4.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.4.5 Introduction of Dual Phase Lag Models . . . . . . . . . . . . . 161
4.4.6 Results of Dual Phase Lag Model Analysis . . . . . . . . . . . 163
4.5 Remarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

5 Thermal Fracture of Advanced Materials Based on Fourier
Heat Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.2 Extended Displacement Discontinuity Method and Fundamental
Solutions for Thermoelastic Crack Problems . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.2.1 Fundamental Solutions for Unit Point Loading
on a Penny-Shaped Interface Crack . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.2.2 Boundary Integral-Differential Equations
for Interfacial Cracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2.3 Stress Intensity Factor and Energy Release Rate . . . . . . . 194
5.3 Interface Crack Problems in Thermopiezoelectric Materials . . . . . . 197
5.3.1 Basic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.3.2 Fundamental Solutions for Unit-Point Extended
Displacement Discontinuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.3.3 Boundary Integral-Differential Equations for an
Interfacial Crack in Piezothermoelastic Materials . . . . . . . 204
5.3.4 Hyper-Singular Integral-Differential Equations . . . . . . . . . 206
5.3.5 Solution Method of the Integral-Differential
Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.3.6 Extended Stress Intensity Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.4 Fundamental Solutions for Magnetoelectrothermoelastic
Bi-Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
5.5 Fundamental Solutions for Interface Crack Problems
in Quasi-Crystalline Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.5.1 Fundamental Solutions for Unit-Point EDDs . . . . . . . . . . 228
5.6 Application of General Solution in the Problem
of an Interface Crack of Arbitrary Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6 Advanced Thermal Fracture Analysis Based on Non-Fourier
Heat Conduction Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.2 Hyperbolic Heat Conduction in a Cracked Half-Plane
with a Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.2.1 Basic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.2.2 Temperature Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
6.2.3 Temperature Gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.2.4 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
6.3 Thermoelastic Analysis of a Partially Insulated Crack
in a Strip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
6.3.1 Definition of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
6.3.2 Thermal Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.3.3 Asymptotic Stress Field Near Crack Tip . . . . . . . . . . . . . 264
6.3.4 Numerical Results and Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.4 Thermal Stresses in a Circumferentially Cracked Hollow
Cylinder Based on Memory-Dependent Heat Conduction . . . . . . . 269
6.4.1 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
6.4.2 Thermal Axial Stress in an Un-cracked
Hollow Cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.4.3 Thermal Stress in the Axial Direction . . . . . . . . . . . . . . . 274
6.4.4 Stress Intensity Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.4.5 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
6.5 Transient Thermal Stress Analysis of a Cracked Half-Plane
of Functionally Graded Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
6.5.1 Formulation of the Problem and Basic Equations . . . . . . . 287
6.5.2 Solution of the Temperature Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
6.5.3 Solution of Thermal Stress Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
6.5.4 Numerical Results and Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
7 Future Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
7.1 Heat Conduction Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
7.2 Application in Advanced Manufacturing Technologies . . . . . . . . . 304

It is $10. Order for this book:

Or, Send email: textileebooks@gmail.com
Categories Uncategorized

Leave a Comment