In this study, continuous contact problem in the functionally graded (FG) layer loaded with a FG flat punch resting on the elastic semi-infinite plane was analyzed by the finite element method (FEM). It was assumed that the shear modulus and density of the layer and punch varied according to exponentially throughout their depth. FG layer's weight was included to the problem and additionally all surfaces were considered as frictionless. Analysis of FG materials was performed with a special macro which was added to the ANSYS program. Firstly, the shear modulus of the punch was considered to be very rigid and the results of initial separation load (λcr) and distance (xcr) were compared with the analytical solution. Afterwards, results obtained from the contact analysis made according to the inhomogeneity parameters (β, γ) between FG punch-FG layer which had been unprecedented in the literature were discussed. As a result, FG punch's stress values at the punch edges where stress accumulations occurred were found to be smaller than the rigid punch. The security of the structure, longer life of the material and ease of production are directly related to the reduction of the stress values. The results obtained in this study are important in this respect. Also this work is the first study that investigates the effect of FG punch on the FG layer.
Yaylaci, Murat;Adiyaman, Gokhan;Oner, Erdal;Birinci, Ahmet
Computers and Concrete
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v.27
no.3
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pp.199-210
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2021
The aim of this paper was to examine the continuous and discontinuous contact problems between the functionally graded (FG) layer pressed with a uniformly distributed load and homogeneous half plane using an analytical method and FEM. The FG layer is made of non-homogeneous material with an isotropic stress-strain law with exponentially varying properties. It is assumed that the contact at the FG layer-half plane interface is frictionless, and only the normal tractions can be transmitted along the contacted regions. The body force of the FG layer is considered in the study. The FG layer was positioned on the homogeneous half plane without any bonds. Thus, if the external load was smaller than a certain critical value, the contact between the FG layer and half plane would be continuous. However, when the external load exceeded the critical value, there was a separation between the FG layer and half plane on the finite region, as discontinuous contact. Therefore, there have been some steps taken in this study. Firstly, an analytical solution for continuous and discontinuous contact cases of the problem has been realized using the theory of elasticity and Fourier integral transform techniques. Then, the problem modeled and two-dimensional analysis was carried out by using ANSYS package program based on FEM. Numerical results for initial separation distance and contact stress distributions between the FG layer and homogeneous half plane for continuous contact case; the start and end points of separation and contact stress distributions between the FG layer and homogeneous half plane for discontinuous contact case were provided for various dimensionless quantities including material inhomogeneity, distributed load width, the shear module ratio and load factor for both methods. The results obtained using FEM were compared with the results found using analytical formulation. It was found that the results obtained from analytical formulation were in perfect agreement with the FEM study.
Yaylaci, Murat;Sabano, Bahar Sengul;Ozdemir, Mehmet Emin;Birinci, Ahmet
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.3
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pp.401-416
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2022
The aim of this study is to examine the frictionless double receding contact problem for two functionally graded (FG) layers pressed with a uniformly distributed load and resting on a homogeneous half plane (HP) using analytical and numerical methods. The FG layers are made of a non-homogeneous material with an isotropic stress-strain law with exponentially varying properties. It is assumed that the contact at the FG layers and FG layer-HP interface is frictionless. The body force of the FG layers and homogeneous HP are ignored in the study. Firstly, an analytical solution for the contact problem has been realized using the theory of elasticity and the Fourier integral transform techniques. Then, the problem modeled and two-dimensional analysis was carried out by using the ANSYS package program based on FEM. Numerical results for contact lengths and contact pressures between FG layers and FG layer-HP were provided for various dimensionless quantities including material inhomogeneity, distributed load width, the shear module ratio, and the heights of the FG layers for both methods. The results obtained using FEM were compared with the results found using the analytical formulation. It was found that the results obtained from analytical formulation were in perfect agreement with the FEM study.
The vibration and stability analysis is investigated for composite cylindrical shells that composed of ceramic, FGM, and metal layers subjected to various loads. Material properties of FG layer are varied continuously in thickness direction according to a simple power distribution in terms of the ceramic and metal volume fractions. The modified Donnell type stability and compatibility equations are obtained. Applying Galerkin's method analytic solutions are obtained for the critical parameters. The detailed parametric studies are carried out to study the influences of thickness variations of the FG layer, radius-to-thickness ratio, lengths-to-radius ratio, material composition and material profile index on the critical parameters of three-layered cylindrical shells. Comparing results with those in the literature validates the present analysis.
Yaylaci, Murat;Adiyaman, Gokhan;Oner, Erdal;Birinci, Ahmet
Structural Engineering and Mechanics
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v.76
no.3
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pp.325-336
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2020
In this study, the continuous and discontinuous contact problems of functionally graded (FG) layer resting on a rigid foundation were considered. The top of the FG layer was loaded by a distributed load. It was assumed that the shear modulus and the density of the layer varied according to exponential functions along the depth whereas the the Poisson ratio remained constant. The problem first was solved analytically and the results were verified with the ones obtained from finite element (FE) solution. In analytical solution, the stress and displacement components for FG layer were obtained by the help of Fourier integral transform. Critical load expression and integral equation for continuous and discontinuous contact, respectively, using corresponding boundary conditions in each case. The finite element solution of the problem was carried out using ANSYS software program. In continuous contact case, initial separation distance and contact stresses along the contact surface between the FG layer and the rigid foundation were examined. Separation distances and contact stresses were obtained in case of discontinuous contact. The effect of material properties and loading were investigated using both analytical and FE solutions. It was shown that obtained results were compatible with each other.
Turan, Muhittin;Adiyaman, Gokhan;Kahya, Volkan;Birinci, Ahmet
Structural Engineering and Mechanics
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v.58
no.3
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pp.423-442
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2016
This study considers a functionally graded (FG) elastic layer resting on homogeneous elastic substrate under axisymmetric static loading. The shear modulus of the FG layer is assumed to vary in an exponential form through the thickness. In solution, the FG layer is approximated into a multilayered medium consisting of thin homogeneous sublayers. Stiffness matrices for a typical homogeneous isotropic elastic layer and a half-space are first obtained by solving the axisymmetric elasticity equations with the aid of Hankel's transform. Global stiffness matrix is, then, assembled by considering the continuity conditions at the interfaces. Numerical results for the displacements and the stresses are obtained and compared with those of the classical elasticity and the finite element solutions. According to the results of the study, the approach employed here is accurate and efficient for elasto-static problems of FGMs.
In this research, beside presenting real images of produced Functionally Graded Carbon Nanotube-Reinforced Composites (FG-CNTRCs) and a brief review of the synthesis method of FG-CNTRCs, static and buckling analysis of FG-CNTRC with piezoelectric layers are investigated. It is assumed that the material properties of FG-CNTRC are varied through the thickness direction using four different distributions of Carbon Nanotubes (CNTs). To capture the size effects, nonlocal elasticity theory proposed by A.C. Eringen is also adopted in our model. One of the topics in our paper is using a higher order theory with eight different displacement fields and comparing their results with each other. To solve the governing equations, an analytical method is used to find the deflections and critical buckling loads of FG-CNTRCs. To show the accuracy of present methodology, our results are compared with the results of simply supported rectangular nano plates available in the literature. In this research, the effects of aspect ratio, piezoelectric layer and nonlocal parameter are also studied. It is hoped that this work leads to more accurate models on FG-CNTRC.
An analytical approach for the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with a functionally graded (FG) core is presented. It is considered that the FG distribution is in the direction of thickness. The material properties are temperature-dependent. The sandwich cylindrical shell with a FG core is considered with two cases. In the first model, i.e., Ceramic-FGM-Metal (CFM), the interior layer of the cylindrical shell is rich metal while the exterior layer is rich ceramic and the FG material is located between two layers and for the second model i.e., Metal-FGM-Ceramic (MFC), the material distribution is in reverse order. This study develops Carrera's Unified Formulation (CUF) to analyze sandwich cylindrical shell with an FG core for the first time. Considering the Principle of Virtual Displacements (PVDs) according to the CUF, the dependent boundary conditions and governing equations are obtained. The coupled governing equations are derived using Galerkin's method. In order to validate the present results, comparisons are made with the available solutions in the previous researches. The effects of different geometrical and material parameters on the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with an FG core are examined.
This paper examines the thermal post-buckling behaviors of graphene-reinforced metal matrix composite (GRMMC) laminated cylindrical panels which possess in-plane negative Poisson's ratio (NPR) and rest on an elastic foundation. A panel consists of GRMMC layers of piece-wise varying graphene volume fractions to obtain functionally graded (FG) patterns. Based on the MD simulation results, the GRMMCs exhibit in-plane NPR as well as temperature-dependent material properties. The governing equations for the thermal post-buckling of panels are based on the Reddy's third order shear deformation shell theory. The von Karman nonlinear strain-displacement relationship and the elastic foundation are also included. The nonlinear partial differential equations for GRMMC laminated cylindrical panels are solved by means of a singular perturbation technique in associate with a two-step perturbation approach and in the solution process the boundary layer effect is considered. The results of numerical investigations reveal that the thermal post-buckling strength for (0/90)5T GRMMC laminated cylindrical panels can be enhanced with an FG-X pattern. The thermal post-buckling load-deflection curve of 6-layer (0/90/0)S and (0/90)3T panels of FG-X pattern are higher than those of 10-layer (0/90/0/90/0)S and (0/90)5T panels of FG-X pattern.
In this study, contact analysis in a functionally graded (FG) layer loaded with two circular punches is solved using the finite element method (FEM). The problem is consisted of a functionally graded layer that resting on an elastic semi-infinite plane and is loaded with two rigid punches of circular geometry. External loads P and Q are transferred to the layer via two rigid punches. The finite element model of the functionally graded layer is created using the ANSYS package program and a 2-dimensional analysis of the problem is analyzed. The contact lengths, obtained as a result of the analysis are compared with the analytical solution in the literature. In the study, the effects of parameters such as distances between punches, loads, inhomogenity parameter on contact zones, initial separation loads and distances, normal stresses, stresses across depth and contact stresses are investigated. As a result, in this study, it can be said that the magnitude of the stresses occurring in the FG layer is less than the homogeneous layer, therefore the life of FG materials will be longer than the homogeneous layer. When the distance between the punches is 2.25, the initial separation distance is 6.98, and when the distance between the punches is 4, the initial separation distance decreases to 6.10. In addition, when the load increased in the second punch, the initial separation load decreased from 55 to 18. The obtained results are presented in the form of graphs and tables.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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