Constitutive and numerical modeling of chemical and mechanical phenomena in solid oxide fuel cells and oxygen permeable membranes

A relation between diffusion of the oxygen ions, chemical expansion in electrochemical ceramics, and chemically induced stress evolution in the cathode over time for the Single Chamber Solid Oxide Fuel Cell based on the miniaturisation concept using thick films produced by screen-printing method has been established. The proposed model has been used to calculate the time dependent stress distribution in the cathode as a function of the material parameters, geometrical parameters of the cathode, and concentration of the oxygen ions under steady state operating conditions of the Single Chamber Solid Oxide Fuel Cell.Виконано моделювання хімічних і механічних явищ, та розроблені узагальнені визначальні співвідношення, які можуть бути використано для розрахунків залежних від часу розподілень напружень та пошкоджуваності, що обумовлена повзучістю, в твердооксидних паливних елементах та в мембранах для переносу кисню як функцій матеріалу та параметрів паливного елементучи мембрани, які знаходяться в несталих та сталих умовах роботи. Розроблені визначальні співвідношення впроваджено в формі структурних моделей для аналізу розподілу напружень в паливних елементах і в мембранах та деградації в часі, для аналізу міцності та тривалої міцності, для забезпечення безпечної роботи систем паливних елементів та мембран для стаціонарного та транспортного використанн

Sodium penetration and chemically induced stresses in the hollow cylinder of Rapoport-Samoilenko apparatus – I. Constitutive modeling

In this paper, a comprehensive theoretical investigation has been carried out with the main focus directed at the understanding on how sodium penetration and chemical expansion in the cathode material during aluminum electrolysis affect the time dependent and chemically induced stress distribution in the hollow cylinder of the Rapoport-Samoilenko apparatus. Constitutive modeling of chemical and mechanical phenomena has been given, and the formulae of stress distribution in the cylinder of the apparatus have been obtained.Теоретичні дослідження даної роботи пов'язані з урахуванням впливу явища хімічного переносу натрію та хімічного розширення в катодному матеріалі при алюмінієвому електролізі в розрахунках залежних від часу розподілень хімічно наведених напружень в циліндрі з отвором для апарата Рапопорта-Самойленка. Виконано моделювання хімічних і механічних явищ, та одержані формули розподілу напружень в циліндрі апарата

A Microcrack Description of Multiaxial Low Cycle Fatigue Damage

A continuum damage mechanics modelfor the low cycle fatigue behaviour of initially isotropic materials with two families ofparallel microcracks is presented. The expression for the equivalent strain in the fatigue damage evolution equation contains the three material parameters as well as the strain intensity for the amplitudes, and joint invariants for the strain amplitudes and for the two unit vectors associated with the directions of microcracks. It is shown how these material parameters can be determined from a series of basic experiments outlined in this paper. Specific expressions for the equivalent strain with a smaller number of material parameters and invariants are obtained. Theoretical results are found to be in good agreement with the experimental data under multiaxial loading obtained on cruciform specimens

Constitutive and numerical modeling of chemical and mechanical phenomena in thermal barrier coatings for gas turbine blades of aircraft engines

Виконано моделювання хімічних і механічних явищ, та розроблені узагальнені визначальні співвідношення, які можуть бути використано для розрахунків залежних від часу розподілень напружень та пошкоджуваності термоізоляції лопаток газових турбін авіаційних двигунів. Розроблені визначальні співвідношення впроваджено в формі структурних моделей для аналізу пошкоджуваності в часі термоізоляції лопаток газових турбін авіаційних двигунів, для аналізу міцності та тривалої міцності, для забезпечення безпечної роботи лопаток газових турбін авіаційних двигунів

Modelling of Elastic Deformation for Initially Anisotropic Materials Sustaining Unilateral Damage

  &nbsp

Damage accumulation in multilayer thin films on gamma titanium aluminides

The present paper involves comprehensive investigations towards an understanding on how aggressive environments, high service temperatures and long dwell times affect damage growth and lifetime reduction of different components of automotive combustion engines and aero-engines made out of gamma titanium aluminides with protective coatings. The outcome of this paper is related to the practical recommendations on how damage growth at high temperatures in multilayer thin films on gamma titanium aluminides under thermal cyclic conditions and multiaxial stress state may be controlled in order to reduce environmental degradation, optimize the protective coating and extend lifetime of a component for automotive, energy and aerospace applications.Настоящая статья включает в себя всеобъемлющие исследования, направленные на понимание того, как агрессивные среды, высокие температуры и время цикла нагружения влияют на рост повреждаемости и сокращение долговечности различных компонентов автомобильных двигателей внутреннего сгорания и авиационных двигателей, изготовленных из гамма алюминидов титана с защитными покрытиями. В результате этих исследований установлено, как рост поврежденности при высоких температурах в многослойных тонких пленках на основе гамма алюминидов титана в условиях теплового циклического нагружения и многоосного напряженного состояния можно контролировать с целью снижения деградации под влиянием окружающей среды, оптимизации защитного покрытия и увеличения срока службы элементов конструкций для автомобильной, энергетической и аэрокосмической промышленности

A Comparison between the 3D and the Kirchhoff-Love Solutions for Cylinders under Creep-Damage Conditions

The 3D theory of creep deformation and creep damage growth in a cylindrical body of revolution is considered. Constitutive equations describing the creep deformation and unilateral creep damage in initially isotropic materials with characteristics dependent on the kind of the stress state are discussed. The numerical approach to obtain the 3D solution for a cylinder under creep-damage conditions is developed. The numerical results generated by the proposed 3D theory are compared with the analogous results based on the Kirchhoff-Love model. Thin and moderately thick cylindrical shells of revolution made from the material with the creep and creep damage characteristics dependent on the kind of the stress state are considered in this comparative analysis. The influence of tension–compression asymmetry on the stress–strain state and damage evolution with time in thin and moderately thick cylindrical shells is discussed. If it is assumed that the properties of the shell material do not depend on the kind of the stress state, this could lead to an overprediction of the creep damage growth and a significant underestimation of the failure initiation time

An integrated approach to assessing seismic simulation based on analysis of preseismic, coseismic, postseismic and interseismic creep, and creep damage evolution

In this paper, a comprehensive theoretical, numerical and computational investigation based on the analysis of the Parkfield earthquakes will be carried out with the main focus directed at the understanding on how physical and chemical transport phenomena, creep deformation with preseismic, coseismic, postseismic and interseismic periods including steady-state static creep, diffusional creep, cyclic creep and dynamic creep, large strains, tension/compression creep asymmetry, creep dilatancy, active creep damage state (degradation) and passive creep damage state (healing), cyclic variations of velocities in boundary conditions, and tectonic loading history affect fault sliding, seismic activity in the crust surrounding a fault including accelerated seismic release characterized by cumulative Benioff strain, spatiotemporal seismicity patterns, large earthquake cycle on the fault as well as future destructive events. Furthermore, focus is put on how the diffusion, preseismic, coseismic, postseismic and interseismic creep processes, large strains, creep damage evolution including degradation and healing, movement of the front of creep rupture, boundary conditions as well as tectonic loading history may be modeled inorder to understand the workings of the Parkfield earthquakes and to predict new destructive earthquakes within a much shorter time frame than currently possible.Теоретичні та чисельні дослідження даної роботи направлено на дослідження Parkfield землетрусів. Головні дослідження направлено на пояснення впливу фізичної та хімічної дифузії, деформацій повзучості в досейсмічному, сейсмічному, післясейсмічному та міжсейсмічному періодах,включаючи сталу стадію повзучості, дифузійної повзучості, циклічної та динамічної повзучості, великих деформацій, асиметрії повзучості при розтягу та стисканні, явища ділатансії, активного та пасивного розвитку пошкоджуваності, циклічних варіацій крайових умов, історії тектонічних навантажень, сейсмічної активності земної кори на формування розломів та розривів кори та відповідно на виникнення катастрофічних випадків. Основні дослідження сфокусовано на дослідженні того, як дифузія, досейсмічна, сейсмічна, післясейсмічна та міжсейсмічна повзучість, великі деформації, розвиток процесів пошкоджуваності та заліковування, рух фронту руйнування, крайові умови можуть бути змодельовані для розуміння Parkfield землетрусів та прогнозування нових руйнівних землетрусів

Benchmark creep tests for thermal barrier coatings

The topic of this paper involves a number of benchmark creep tests and reference solutions that give the possibility to verify the finite element analysis of stress redistribution in thermal barrier coatings related to commercial software packages. The numerical results have been compared in the benchmark tests with the results obtained by other methods and by other authors. The results of creep studies revealed the magnitudes of the local stresses that correlate with the residual stresses determined in the thermally grown oxide by the luminescence spectroscopy method. The creep properties of Ni-based superalloy substrate have strong influence on the stress state and subsequent failure of EB-PVD thermal barrier coatings. The obtained numerical results demonstrate that the future EB-PVD thermal barrier coatings should be developed simultaneously with the Ni-based superalloy substrate, because the effectiveness of coating is influenced by the composition and properties of the substrate.Тема цієї статті включає в себе ряд тестів на повзучість та еталонні рішення, які дають можливість перевірити аналіз методом скінченних елементів перерозподілу напружень в теплозахисних покриттях, пов'язаний з комерційними пакетами програмного забезпечення. Чисельні результати були порівняні у тестах з результатами, отриманими іншими методами та іншими авторами. Результати досліджень повзучості показали величини локальних напружень, які корелюють із залишковими напруженнями, визначеними в термічно вирощеному оксиді методом люмінесцентної спектроскопії. Повзучість нікелевих жароміцних сплавів підкладки має сильний вплив на напружений стан і подальше руйнування EB-PVD теплозахисних покриттів. Отримані чисельні результати показують, що майбутні EB-PVD теплозахисні покриття повинні бути розроблені одночасно з нікелевою підкладкою, оскільки ефективність покриття залежить від складу і властивостей підкладки

A continuum damage mechanics model with the strain-based approach to biaxial low cycle fatigue failure

Abstract A continuum damage mechanics model for low cycle fatigue failure of initially isotropic materials under biaxial loading conditions is presented. The expression for the equivalent strain in the fatigue damage evolution equation contains the three material parameters, and the strain intensity as well as the maximum principal strain and the volume strain for amplitudes. It is shown how these material parameters can be determined from a series of basic experiments using a cruciform specimen. Particular expressions for the equivalent strain with a smaller number of material parameters and invariants are obtained. Model predictions are found to be in satisfactory agreement with the experimental low cycle fatigue data under full ranged biaxial loadings obtained in the test using a cruciform specimen. Ein mechanische