International Journal of Aerospace System Engineering
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v.3
no.1
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pp.1-4
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2016
Functionally graded materials (FGMs) are becoming very popular in various industries due to their effectiveness of the utilization of their constituent elements. However, the modelling of these materials is difficult due to the complex nature of variation of material properties across the thickness. Many shear deformation theories have been developed and employed for the analysis of such functionally graded plates (FGPs). A recently developed inverse hyperbolic shear deformation theory has been successfully employed by Grover et al. [1] for the analysis of laminated composites and sandwich plates. The objective of the study is to obtain finite element solution for the structural analysis of functionally graded plates using inverse hyperbolic shear deformation theory. Finite element analysis facilitates the analysis of complex problems such as functionally graded plates with different boundary conditions and different loadings.
Thin films easily wrinkle under compressive loading due to their small bending stiffness resulting from their tiny thickness. For a thin film deposited on a functionally graded substrate with non-uniform stiffness exponentially changes along the length span in this paper, the uniaxial wrinkling problem is solved analytically in terms of hyper-Bessel functions. For infinite, semi-infinite and finite length systems the wrinkling load and wrinkling wavenumber are determined and compared with those in literature. In comparison with a homogeneous substrate-bounded film in which the wrinkling pattern is uniform along the length span, for a functionally graded substrate-film system the wrinkles accumulate around the softer location of the functionally graded substrate. Therefore, the effective length of the film influenced by the wrinkles decreases, the amplitude of the wrinkles on softer regions of the functionally graded substrate grows and the wrinkling load of the functionally graded substrates with higher softening rate decreases more. The results of the current research are expected to be useful in science and technology of thin films and wrinkling of the structures especially living tissues.
This study shows functionally graded material structural topology optimization under buckling constraints. The SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) material model is used and a method of moving asymptotes is also employed to update topology design variables. In this study, the quadrilateral element is applied to compute buckling load factors. Instead of artificial density properties, functionally graded materials are newly assigned to distribute optimal topology materials depending on the buckling load factors in a given design domain. Buckling load factor formulations are derived and confirmed by the resistance of functionally graded material properties. However, buckling constraints for functionally graded material topology optimization have not been dealt with in single material. Therefore, this study aims to find the minimum compliance topology optimization and the buckling load factor in designing the structures under buckling constraints and generate the functionally graded material distribution with asymmetric stiffness properties that minimize the compliance. Numerical examples verify the superiority and reliability of the present method.
Forced vibration analysis of a cracked functionally graded microbeam is investigated by using modified couple stress theory with damping effect. Mechanical properties of the functionally graded beam change vary along the thickness direction. The crack is modelled with a rotational spring. The Kelvin-Voigt model is considered in the damping effect. In solution of the dynamic problem, finite element method is used within Timoshenko beam theory in the time domain. Influences of the geometry and material parameters on forced vibration responses of cracked functionally graded microbeams are presented.
This study presents buckling analysis of a simply supported sandwich plate with functionally graded porous layers. In the kinematic relation of the plate, a hyperbolic shear displacement model is used. The governing equations of the problem are derived by using the principle of virtual work. In the solution of the governing equations, the Navier procedure is implemented. In the porosity effect, four different porosity types are used for functionally graded sandwich layers. In the numerical examples, the effects of the porosity parameters, porosity types and geometry parameters on the critical buckling of the functionally graded sandwich plates are investigated.
Yahia, Sihame Ait;Atmane, Hassen Ait;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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v.53
no.6
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pp.1143-1165
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2015
In this work, various higher-order shear deformation plate theories for wave propagation in functionally graded plates are developed. Due to porosities, possibly occurring inside functionally graded materials (FGMs) during fabrication, it is therefore necessary to consider the wave propagation in plates having porosities in this study. The developed refined plate theories have fewer number of unknowns and equations of motion than the first-order shear deformation theory, but accounts for the transverse shear deformation effects without requiring shear correction factors. The rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the functionally graded plates with porosity phases. The governing equations of the wave propagation in the functionally graded plate are derived by employing the Hamilton's principle. The analytic dispersion relation of the functionally graded plate is obtained by solving an eigenvalue problem. The effects of the volume fraction distributions and porosity volume fraction on wave propagation of functionally graded plate are discussed in detail. The results carried out can be used in the ultrasonic inspection techniques and structural health monitoring.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.14
no.5
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pp.130-137
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2006
A transient finite element simulation is developed for the two-dimensional thermoelastic contact problem of a stationary functionally graded material between sliding layers, with frictional heat generation. Thermoelastic instability in functionally graded materials is investigated. The critical speed of functionally graded material coating disk is larger than that of the conventional steel disk. The effect of the nonhomogeneity parameter in functionally graded material is also investigated. The results show that functionally gradient materials restrain the growth of perturbation and delay the contact separation.
In this paper, an efficient shear deformation theory is developed for wave propagation analysis in a functionally graded beam. More particularly, porosities that may occur in Functionally Graded Materials (FGMs) during their manufacture are considered. The proposed shear deformation theory is efficient method because it permits us to show the effect of both bending and shear components and this is carried out by dividing the transverse displacement into the bending and shear parts. Material properties are assumed graded in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents; but the rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the functionally graded beams with porosity phases. The governing equations of the wave propagation in the functionally graded beam are derived by employing the Hamilton's principle. The analytical dispersion relation of the functionally graded beam is obtained by solving an eigenvalue problem. The effects of the volume fraction distributions, the depth of beam, the number of wave and the porosity on wave propagation in functionally graded beam are discussed in details. It can be concluded that the present theory is not only accurate but also simple in predicting the wave propagation characteristics in the functionally graded beam.
Functionally graded materials graded continuously and discretely, and are modeled using modified Mori- Tanaka and self-consistent methods. The proposed micromechanics model accounts for multi-phase heterogeneity and arbitrary number of layers. The influence of geometries and distinct elastic material properties of each constituent and voids on the effective elastic properties of FGM is investigated. Numerical examples of different functionally graded materials are presented. The predicted elastic properties obtained from the current model agree well with experimental results from the literature.
A theoretical study was carried-out of mode II delamination fracture behavior of the End Loaded Split (ELS) functionally graded beam configuration with considering the material non-linearity. The mechanical response of ELS was modeled analytically by using a power-law stress-strain relation. It was assumed that the material is functionally graded transversally to the beam. The non-linear fracture was investigated by using the J-integral approach. Equations were derived for the crack arm curvature and zero axes coordinate that are needed for the J-integral solution. The analysis developed is valid for a delamination crack located arbitrary along the beam height. The J-integral solution was verified by analyzing the strain energy release rate with considering material non-linearity. The effects of material gradient, non-linear material behavior and crack location on the fracture were evaluated. The solution derived is suitable for parametric analyses of non-linear fracture. The results obtained can be used for optimization of functionally graded beams with respect to their mode II fracture performance. Also, such simplified analytical models contribute for the understanding of delamination fracture in functionally graded beams exhibiting material non-linearity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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