The paper considers the free vibration analysis of FGM grid systems. Up to now, very little work has been done on this type of system and the paper aspires to fill this gap. Based on the hybrid-stress finite element formulation free vibration solutions for FGM grid systems of various aspect ratios, different types of gradations functions, and support conditions are determined. The tabulation of these results, not available thus far, should be useful to designers and researchers who may use them.
This research presents a multi-material topology optimization for functionally graded material (FGM) and nonFGM with elastic buckling criteria. The elastic buckling based multi-material topology optimization of functionally graded steels (FGSs) uses a Jacobi scheme and a Method of Moving Asymptotes (MMA) as an expansion to revise the design variables shown first. Moreover, mathematical expressions for modified interpolation materials in the buckling framework are also described in detail. A Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) as well as a modified penalizing material model is utilized. Based on this investigation on the buckling constraint with homogenization material properties, this method for determining optimal shape is presented under buckling constraint parameters with non-homogenization material properties. For optimal problems, minimizing structural compliance like as an objective function is related to a given material volume and a buckling load factor. In this study, conflicts between structural stiffness and stability which cause an unfavorable effect on the performance of existing optimization procedures are reduced. A few structural design features illustrate the effectiveness and adjustability of an approach and provide some ideas for further expansions.
In this work, thermomechanical flexural analysis of functionally graded material sandwich plates with P-FGM face sheets and E-FGM and symmetric S-FGM core is performed by employing a nth-order shear deformation theory. A novel type of S-FGM sandwich plates, namely, both P-FGM face sheets and a symmetric S-FGM hard core are considered. By employing only four unknown variables, the governing equations are obtained based on the principle of virtual work and then Navier method is used to solve these equations. Analytical solutions are deduced to compute the stresses and deflections of simply supported S-FGM sandwich plates. The effects of volume fraction variation, geometrical parameters and thermal load on thermomechanical flexural behavior of the symmetric FGM sandwich plates are investigated.
A functionally graded material (FGM) spacer, which the distribution of dielectric permittivity inside an insulator changes spatially, can considerably reduce the electric field concentration around a high-voltage electrode and along the gas-insulator interface when compared to a conventional spacer with a uniform permittivity distribution. In this research, we propose the FGM spacer with an elliptical permittivity distribution instead of that with a distribution of dielectric permittivity varying along a radial direction only in order to improve efficiently the insulation capability. The optimal design of the elliptical FGM spacer configuration is performed by using the response surface methodology (RSM) combined with the steepest descent method (SDM).
In this paper, the effect of material-temperature dependent on the wave propagation of a cantilever beam composed of functionally graded material (FGM) under the effect of an impact force is investigated. The beam is excited by a transverse triangular force impulse modulated by a harmonic motion. Material properties of the beam are temperature-dependent and change in the thickness direction. The Kelvin-Voigt model for the material of the beam is used. The considered problem is investigated within the Euler-Bernoulli beam theory by using energy based finite element method. The system of equations of motion is derived by using Lagrange's equations. The obtained system of linear differential equations is reduced to a linear algebraic equation system and solved in the time domain and frequency domain by using Newmark average acceleration method. In order to establish the accuracy of the present formulation and results, the comparison study is performed with the published results available in the literature. Good agreement is observed. In the study, the effects of material distributions and temperature rising on the wave propagation of the FGM beam are investigated in detail.
Nadia Alavi;Mohammad Zamani Nejad;Amin Hadi;Anahita Nikeghbalyan
Steel and Composite Structures
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제51권4호
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pp.377-389
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2024
In the present study, thermoelsatoplastic stresses and displacement for rotating hollow disks made of functionally graded materials (FGMs) has been investigated. The linear elastic-fully plastic condition is considered. The material properties except Poisson's ratio are assumed to vary in the radial direction as a power-law function. The heat conduction equation for the one-dimensional problem in cylindrical coordinates is used to obtain temperature distribution in the disk. The plastic model is based on the Tresca yield criterion and its associated flow rules under the assumption of perfectly plastic material behavior. Exact solutions of field equations for elastic and plastic deformations are obtained. It is shown that the elastoplastic response of the functionally graded (FG) disk is affected notably by the radial variation of material properties. It is also shown that, depending on material properties and disk dimensions, different modes of plastic deformation may occur.
This study presents a methodical investigation into improving structural designs through the analytical examination of the dynamic behavior of functionally graded plates (FGPs) resting on viscoelastic foundations. By employing a four variable first-order shear deformation theory, the study computes non-dimensional frequencies for a variety of porous FGPs with diverse graded patterns and porosity distributions. Different gradient patterns of the plates are considered, and three distinct functions-sigmoid (S-FGM), exponential (E-FGM), and power-law (P-FGM)-are utilized to assess material performance in specific directions. The equations of motion are derived and solved using both Navier's method and Hamilton's principle. Analytical solutions for vibration frequency are provided to validate the proposed methodology against existing literature. Furthermore, a comprehensive parametric analysis is conducted, taking into account various factors such as ceramic material, porosity distribution, gradient index, length-to-thickness ratio, gradient pattern, and damping coefficient. The findings suggest that enhancing the damping coefficient of the viscoelastic foundation can significantly improve the free-vibrational response of functionally graded material plates.
The main objective of this paper is to compute the far-field acoustic radiation (sound radiation) of functionally graded plates (FGM) loaded by sinusoidally varying point load subjected to the arbitrary boundary condition is carried out. The governing differential equations for thin functionally graded plates (FGM) are derived using classical plate theory (CPT) and Rayleigh integral using the elemental radiator approach. Four cases, segregated on power-law index k=0,1,5,10, are studied. A novel approach is illustrated to compute sound fields of vibrating FGM plates using the physical neutral surface with an elemental radiator approach. The material properties of the FGM plate for all cases are calculated considering the power law indexes. An in-house MATLAB code is written to compute the natural frequencies, normal surface velocities, and sound radiation fields are analytically calculated using semi-analytical formulation. Ansys is used to validate the computed sound power level. The parametric effects of the power law index, modulus ratios, different constituent of FGM plates, boundary conditions, damping loss factor on the sound power level, and radiation efficiency is illustrated. This work is the benchmark approach that clearly explains how to calculate acoustic fields using a solid layered FGM model in ANSYS ACT. It shows that it is possible to asymptotically stabilize the structure by controlling the intermittent layers' stiffness. It is found that sound fields radiated by the elemental radiators approach in MATLAB, ANSYS and literatures are in good agreement. The main novelty of this research is that the FGM plate is analyzed in the low-frequency range, where the stiffness-controlled region governs the whole analysis. It is concluded that a clamped mono-ceramic FGM plate radiates a lesser sound power level and higher radiation efficiency than a mono-metallic or metal-rich FGM plate due to higher stiffness. It is found that change in damping loss factor does not affect the same constituents of FGM plates but has significant effects on the different constituents of FGM plates.
Abdulrazzaq, Mohammed Abdulraoof;Fenjan, Raad M.;Ahmed, Ridha A.;Faleh, Nadhim M.
Steel and Composite Structures
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제35권1호
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pp.147-157
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2020
In the present research, thermo-elastic buckling of small scale functionally graded material (FGM) nano-size plates with clamped edge conditions rested on an elastic substrate exposed to uniformly, linearly and non-linearly temperature distributions has been investigated employing a secant function based refined theory. Material properties of the FGM nano-size plate have exponential gradation across the plate thickness. Using Hamilton's rule and non-local elasticity of Eringen, the non-local governing equations have been stablished in the context of refined four-unknown plate theory and then solved via an analytical method which captures clamped boundary conditions. Buckling results are provided to show the effects of different thermal loadings, non-locality, gradient index, shear deformation, aspect and length-to-thickness ratios on critical buckling temperature of clamped exponential graded nano-size plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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