적층 제조 및 3D 프린팅 기술의 도입으로 재료 과학은 광범위하고 우수한 기계적 특성을 가진 (고급 엔지니어링) 재료를 제조하는 측면에서 큰 성과를 달성했다. 그 중 기능 등급 재료(FGM), 샌드위치 구조, 보조 재료 및 ...
적층 제조 및 3D 프린팅 기술의 도입으로 재료 과학은 광범위하고 우수한 기계적 특성을 가진 (고급 엔지니어링) 재료를 제조하는 측면에서 큰 성과를 달성했다. 그 중 기능 등급 재료(FGM), 샌드위치 구조, 보조 재료 및 탄소 나노튜브(CNT) 또는 그래핀 혈소판(GPL)으로 강화된 금속 발포체와 같은 세포 구조가 학계에서 상당한 관심을 받고 있다. 이러한 재료는 초경량, 큰 강도 대 중량비, 음향 감쇠, 열 저항 특성, 에너지 흡수 능력 등과 같은 우수한 특성들을 갖고 있다.또한, 유리한 특성으로 인해 구조판은 항공 우주 공학, 자동차 산업, 생물 의학, 원자력 발전소, 생물 공학 등과 같은 광범위한 고급 엔지니어링 시스템에서 널리 보급되고 중요하게 여겨진다. 따라서 첨단 FG 판 구조에 대한 집중적인 연구는 첨단 엔지니어링 구조물의 설계 및 해석 과정을 지원하는데 매우 중요하다. 본 논문에서는 구조 플레이트에 대한 더 나은 통찰을 위해 정적 굽힘, 자유 진동, 정적 좌굴, 동적 안정성과 같은 다양한 해석 유형과 첨단 FG 플레이트의 기하학적 비선형 응답의 능동적 제어를 철저히 탐구한다.
구조적 거동을 분석하기 위해서는 신뢰할 수 있는 수치 모델을 도입하고 개발해야 한다. 고급 FG 플레이트의 복잡한 응답을 예측하기 위한 효과적이고 강력한 수치 모델을 제공하기 위해 PFEM (Polygonal Finite Element Method) 및 IGA(IsoGeometric Analysis)를 포함한 두 가지 최신 수치 방법을 도입하고 활용한다. 유한 요소 접근의 틀에서 요소 모서리의 수에 제한이 없는 판 요소에 대한 근사 공식이 제안된다. 이 접근법에 따르면 일반화된 C0형 고차 전단 변형 이론(C0-HSDT)을 사용하여 구성된 굽힘 변형장은 2차 우연 형상 함수를 통해 근사화될 수 있고 전단 변형장은 Wachspress 또는 Laplace 형상 함수를 사용하여 계산할 수 있다. 전단 잠금 현상을 제거하기 위해 Timoshenko의 빔 이론은 다각형 영역의 각 면에서 가정된 변형장을 정의하는데 사용된다. 제안된 공식은 계산 측면에서 효율적이며 GPL 보강재가 있는 auxetic 허니컴 샌드위치 플레이트뿐만 아니라 다공성 FG 플레이트의 구조적 응답을 탐색하는 데에도 적용될 수 있다. 내부 기공과 GPL이 두께 방향에 걸쳐 재료 매트릭스에 분산되어 있고 구조적 거동에 대한 보조 전지의 기하학적 매개변수의 영향이 자세히 조사되었다.
또한, IGA 프레임워크에서 준 3차원(준 3D) 전단 변형 이론과 4변수 RPT(Refined Plate Theory)의 조합에서 도출된 또 다른 근사 공식은 GPL로 보강된 다공성 샌드위치 FG 판의 두께 스트레칭 효과를 적절히 포착하기 위해 먼저 활용된다. 본 논문에서는 GPL로 강화된 내부 기공을 포함하는 코어층과 2개의 FGM 스킨층으로 구성된 새로운 샌드위치 플레이트 모델을 제안하며, 구조적 성능 측면에서도 다양한 특징을 보인다. 한편, GPL로 보강되고 압전 레이어와 통합된 다공성 스마트 FG 플레이트의 기하학적 비선형 응답을 분석하고 능동적으로 제어하기 위해 베지어 추출 기반 IGA 및 C0-HSDT를 기반으로 하는 효과적인 계산 접근 방식이 도입된다. 베지어 추출을 적용하면 원래의 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 제어 메시를 베지어 요소로 변환할 수 있으며, 이 베지어 요소는 기존 FEM과 같은 표준 수치 절차를 상속하면서 장점은 그대로 유지된다. 기하학적 비선형 방정식은 Newton-Raphson 반복 절차와 Newmark의 적분으로 풀 수 있다. 다공성 계수, GPL 중량 분율 및 외부 전압이 다양한 다공성 및 GPL 분포에서 기하학적 비선형 거동에 미치는 영향을 철저히 조사한다. 또한 센서 및 액추에이터 레이어가 있는 폐쇄 루프 제어를 기반으로 하는 구조적 감쇠 효과를 고려하여 기하학적 비선형 정적 및 동적 응답을 능동적으로 제어하기 위해 일정 변위 및 속도 피드백 제어 접근 방식이 채택한다.
적층 제조 및 3D 프린팅 기술의 도입으로 재료 과학은 광범위하고 우수한 기계적 특성을 가진 (고급 엔지니어링) 재료를 제조하는 측면에서 큰 성과를 달성했다. 그 중 기능 등급 재료(FGM), 샌드위치 구조, 보조 재료 및 탄소 나노튜브(CNT) 또는 그래핀 혈소판(GPL)으로 강화된 금속 발포체와 같은 세포 구조가 학계에서 상당한 관심을 받고 있다. 이러한 재료는 초경량, 큰 강도 대 중량비, 음향 감쇠, 열 저항 특성, 에너지 흡수 능력 등과 같은 우수한 특성들을 갖고 있다.또한, 유리한 특성으로 인해 구조판은 항공 우주 공학, 자동차 산업, 생물 의학, 원자력 발전소, 생물 공학 등과 같은 광범위한 고급 엔지니어링 시스템에서 널리 보급되고 중요하게 여겨진다. 따라서 첨단 FG 판 구조에 대한 집중적인 연구는 첨단 엔지니어링 구조물의 설계 및 해석 과정을 지원하는데 매우 중요하다. 본 논문에서는 구조 플레이트에 대한 더 나은 통찰을 위해 정적 굽힘, 자유 진동, 정적 좌굴, 동적 안정성과 같은 다양한 해석 유형과 첨단 FG 플레이트의 기하학적 비선형 응답의 능동적 제어를 철저히 탐구한다.
구조적 거동을 분석하기 위해서는 신뢰할 수 있는 수치 모델을 도입하고 개발해야 한다. 고급 FG 플레이트의 복잡한 응답을 예측하기 위한 효과적이고 강력한 수치 모델을 제공하기 위해 PFEM (Polygonal Finite Element Method) 및 IGA(IsoGeometric Analysis)를 포함한 두 가지 최신 수치 방법을 도입하고 활용한다. 유한 요소 접근의 틀에서 요소 모서리의 수에 제한이 없는 판 요소에 대한 근사 공식이 제안된다. 이 접근법에 따르면 일반화된 C0형 고차 전단 변형 이론(C0-HSDT)을 사용하여 구성된 굽힘 변형장은 2차 우연 형상 함수를 통해 근사화될 수 있고 전단 변형장은 Wachspress 또는 Laplace 형상 함수를 사용하여 계산할 수 있다. 전단 잠금 현상을 제거하기 위해 Timoshenko의 빔 이론은 다각형 영역의 각 면에서 가정된 변형장을 정의하는데 사용된다. 제안된 공식은 계산 측면에서 효율적이며 GPL 보강재가 있는 auxetic 허니컴 샌드위치 플레이트뿐만 아니라 다공성 FG 플레이트의 구조적 응답을 탐색하는 데에도 적용될 수 있다. 내부 기공과 GPL이 두께 방향에 걸쳐 재료 매트릭스에 분산되어 있고 구조적 거동에 대한 보조 전지의 기하학적 매개변수의 영향이 자세히 조사되었다.
또한, IGA 프레임워크에서 준 3차원(준 3D) 전단 변형 이론과 4변수 RPT(Refined Plate Theory)의 조합에서 도출된 또 다른 근사 공식은 GPL로 보강된 다공성 샌드위치 FG 판의 두께 스트레칭 효과를 적절히 포착하기 위해 먼저 활용된다. 본 논문에서는 GPL로 강화된 내부 기공을 포함하는 코어층과 2개의 FGM 스킨층으로 구성된 새로운 샌드위치 플레이트 모델을 제안하며, 구조적 성능 측면에서도 다양한 특징을 보인다. 한편, GPL로 보강되고 압전 레이어와 통합된 다공성 스마트 FG 플레이트의 기하학적 비선형 응답을 분석하고 능동적으로 제어하기 위해 베지어 추출 기반 IGA 및 C0-HSDT를 기반으로 하는 효과적인 계산 접근 방식이 도입된다. 베지어 추출을 적용하면 원래의 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 제어 메시를 베지어 요소로 변환할 수 있으며, 이 베지어 요소는 기존 FEM과 같은 표준 수치 절차를 상속하면서 장점은 그대로 유지된다. 기하학적 비선형 방정식은 Newton-Raphson 반복 절차와 Newmark의 적분으로 풀 수 있다. 다공성 계수, GPL 중량 분율 및 외부 전압이 다양한 다공성 및 GPL 분포에서 기하학적 비선형 거동에 미치는 영향을 철저히 조사한다. 또한 센서 및 액추에이터 레이어가 있는 폐쇄 루프 제어를 기반으로 하는 구조적 감쇠 효과를 고려하여 기하학적 비선형 정적 및 동적 응답을 능동적으로 제어하기 위해 일정 변위 및 속도 피드백 제어 접근 방식이 채택한다.
With the introduction of additive manufacturing and 3D printing technologies, material science has accomplished great achievements in terms of fabricating advanced engineering materials with a wide range of excellent mechanical properties. Among them, functionally graded materials (FGMs), sandwich s...
With the introduction of additive manufacturing and 3D printing technologies, material science has accomplished great achievements in terms of fabricating advanced engineering materials with a wide range of excellent mechanical properties. Among them, functionally graded materials (FGMs), sandwich structures, auxetic materials and cellular structures like metal foams reinforced by carbon nanotubes (CNTs) or graphene platelets (GPLs) have been attracting significant attention from the academic community. Such interesting classes of material possess a large number of various excellent properties such as ultra‐light, great strength‐to‐weight ratio, acoustic damping, thermal resistant properties, energy absorption capabilities, etc. Besides, because of their favorable characteristics, the utilization of these structural plates has become prevalent and paramount in an extensive variety of advanced engineering systems such as aerospace engineering, automotive industrial, biomedical, nuclear power plant, bio-engineering, and so on. Intensive studies on such intriguing advanced FG plate structures, therefore, are of great importance for support in the design and analysis process of advanced engineering structures. For a better insight into such excellent structural plates, numerous various analysis types such as static bending, free vibration, static buckling, dynamic stability as well as active control of geometrically nonlinear responses of advanced FG plates are thoroughly explored in this thesis.
To analyze the structural behaviors, reliable numerical models should be introduced and developed. With the aim of providing effective and robust numerical models to predict the complex responses of advanced FG plates, two state-of-the-art numerical methods including Polygonal Finite Element Method (PFEM) and IsoGeometric Analysis (IGA) are introduced and exploited in this thesis. In the framework of the finite element approach, an approximate formulation for plate elements without limitation of the number of elemental edges is proposed. According to this approach, bending strain field which is constructed by employing generalized C0 type higher‐order shear deformation theory (C0-HSDT) can be approximated through quadratic serendipity shape functions while shear strain field can be calculated by utilizing Wachspress or Laplace shape functions. To eliminate the shear locking phenomenon, Timoshenko's beam theory is utilized to define assumed strain fields on each side of the polygonal domain. The proposed formulation possesses various outstanding features in terms of efficient computation and is then applied to explore the structural responses of porous FG plates as well as auxetic honeycomb sandwich plates with GPLs reinforcement. A number of various dispersions of internal pores and GPLs into the material matrix across the thickness direction, as well as influences of geometrical parameters of the auxetic cell on the structural behaviors are examined in detail.
In addition, another approximate formulation derived from a combination of quasi-three-dimensional (quasi-3D) shear deformation theory and four-variable Refined Plate Theory (RPT) in the IGA framework is first exploited to adequately capture the thickness stretching effect for porous sandwich FG plates reinforced with GPLs. In this thesis, a novel sandwich plate model consisting of a core layer containing internal pores reinforced by GPLs and two FGMs skin layers, with various outstanding features in terms of structural performance is also proposed. Meanwhile, to analyze and actively control the geometrically nonlinear responses of porous smart FG plates reinforced by GPLs and integrated with piezoelectric layers, an effective computational approach based on Bezier extraction-based IGA and C0-HSDT is introduced. Note that, by applying Bezier extraction, the original Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) control meshes can be transformed into Bezier elements which may inherit the standard numerical procedure like the conventional FEM while its advantages are still kept untouched. The geometrically nonlinear equations can be solved by Newton-Raphson iterative procedure and Newmark's integration. The influence of porosity coefficient, GPLs weight fraction as well as external electrical voltage on the geometrically nonlinear behaviors under various distributions of porosity and GPLs are thoroughly investigated. In addition, constant displacement and velocity feedback control approaches are then adopted to actively control the geometrically nonlinear static and dynamic responses considering the structural damping effect based on a closed-loop control with sensor and actuator layers.
With the introduction of additive manufacturing and 3D printing technologies, material science has accomplished great achievements in terms of fabricating advanced engineering materials with a wide range of excellent mechanical properties. Among them, functionally graded materials (FGMs), sandwich structures, auxetic materials and cellular structures like metal foams reinforced by carbon nanotubes (CNTs) or graphene platelets (GPLs) have been attracting significant attention from the academic community. Such interesting classes of material possess a large number of various excellent properties such as ultra‐light, great strength‐to‐weight ratio, acoustic damping, thermal resistant properties, energy absorption capabilities, etc. Besides, because of their favorable characteristics, the utilization of these structural plates has become prevalent and paramount in an extensive variety of advanced engineering systems such as aerospace engineering, automotive industrial, biomedical, nuclear power plant, bio-engineering, and so on. Intensive studies on such intriguing advanced FG plate structures, therefore, are of great importance for support in the design and analysis process of advanced engineering structures. For a better insight into such excellent structural plates, numerous various analysis types such as static bending, free vibration, static buckling, dynamic stability as well as active control of geometrically nonlinear responses of advanced FG plates are thoroughly explored in this thesis.
To analyze the structural behaviors, reliable numerical models should be introduced and developed. With the aim of providing effective and robust numerical models to predict the complex responses of advanced FG plates, two state-of-the-art numerical methods including Polygonal Finite Element Method (PFEM) and IsoGeometric Analysis (IGA) are introduced and exploited in this thesis. In the framework of the finite element approach, an approximate formulation for plate elements without limitation of the number of elemental edges is proposed. According to this approach, bending strain field which is constructed by employing generalized C0 type higher‐order shear deformation theory (C0-HSDT) can be approximated through quadratic serendipity shape functions while shear strain field can be calculated by utilizing Wachspress or Laplace shape functions. To eliminate the shear locking phenomenon, Timoshenko's beam theory is utilized to define assumed strain fields on each side of the polygonal domain. The proposed formulation possesses various outstanding features in terms of efficient computation and is then applied to explore the structural responses of porous FG plates as well as auxetic honeycomb sandwich plates with GPLs reinforcement. A number of various dispersions of internal pores and GPLs into the material matrix across the thickness direction, as well as influences of geometrical parameters of the auxetic cell on the structural behaviors are examined in detail.
In addition, another approximate formulation derived from a combination of quasi-three-dimensional (quasi-3D) shear deformation theory and four-variable Refined Plate Theory (RPT) in the IGA framework is first exploited to adequately capture the thickness stretching effect for porous sandwich FG plates reinforced with GPLs. In this thesis, a novel sandwich plate model consisting of a core layer containing internal pores reinforced by GPLs and two FGMs skin layers, with various outstanding features in terms of structural performance is also proposed. Meanwhile, to analyze and actively control the geometrically nonlinear responses of porous smart FG plates reinforced by GPLs and integrated with piezoelectric layers, an effective computational approach based on Bezier extraction-based IGA and C0-HSDT is introduced. Note that, by applying Bezier extraction, the original Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) control meshes can be transformed into Bezier elements which may inherit the standard numerical procedure like the conventional FEM while its advantages are still kept untouched. The geometrically nonlinear equations can be solved by Newton-Raphson iterative procedure and Newmark's integration. The influence of porosity coefficient, GPLs weight fraction as well as external electrical voltage on the geometrically nonlinear behaviors under various distributions of porosity and GPLs are thoroughly investigated. In addition, constant displacement and velocity feedback control approaches are then adopted to actively control the geometrically nonlinear static and dynamic responses considering the structural damping effect based on a closed-loop control with sensor and actuator layers.
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