Elasticity solutions for bi-directional functionally graded beams subjected to arbitrary lateral loads are conducted, with emphasis on the end effects. The material is considered macroscopically isotropic, with Young's modulus varying exponentially in both axial and thickness directions, while Poisson's ratio remaining constant. In order to obtain an exact analysis of stress and displacement fields, the symplectic analysis based on Hamiltonian state space approach is employed. The capability of the symplectic framework for exact analysis of bi-directional functionally graded beams has been validated by comparing numerical results with corresponding ones in open literature. Numerical results are provided to demonstrate the influences of the material gradations on localized stress distributions. Thus, the material properties of the bi-directional functionally graded beam can be tailored for the potential practical purpose by choosing suitable graded indices.
This paper proposes an efficient approach for the structural topology optimization of bi-directional functionally graded structures by incorporating popular radial basis functions (RBFs) into an implicit level set (ILS) method. Compared to traditional element density-based methods, a level set (LS) description of material boundaries produces a smoother boundary description of the design. The paper develops RBF implicit modeling with multiquadric (MQ) splines, thin-plate spline (TPS), exponential spline (ES), and Gaussians (GS) to define the ILS function with high accuracy and smoothness. The optimization problem is formulated by considering RBF-based nodal densities as design variables and minimizing the compliance objective function. A LS-RBF optimization method is proposed to transform a Hamilton-Jacobi partial differential equation (PDE) into a system of coupled non-linear ordinary differential equations (ODEs) over the entire design domain using a collocation formulation of the method of lines design variables. The paper presents detailed mathematical expressions for BiDFG beams topology optimization with two different material models: continuum functionally graded (CFG) and mechanical functionally graded (MFG). Several numerical examples are presented to verify the method's efficiency, reliability, and success in accuracy, convergence speed, and insensitivity to initial designs in the topology optimization of two-dimensional (2D) structures. Overall, the paper presents a novel and efficient approach to topology optimization that can handle bi-directional functionally graded structures with complex geometries.
In the current research, the thermal buckling characteristics of the bi-directional functionally graded nano-scale tapered beam on the basis of a couple of nonlocal Eringen and classical beam theories are scrutinized. The nonlocal governing equation and associated nonlocal boundary conditions are constructed using the conservation energy principle, and the resulting equations are solved using the generalized differential quadrature method (GDQM). The mechanical characteristics of the produced material are altered along both the beam length and thickness direction, indicating that it is a two-dimensional functionally graded material (2D-FGM). It is thought that the nanostructures are defective because to the presence of porosity voids. Finally, the obtained results are used to design small-scale sensors and make an excellent panorama of developing the production of nanostructures.
In the present article, the vibration response of a geometrically imperfect bi-directional functionally graded plate (2D-FGP) with geometric discontinuities and micro-structural defects (porosities) has been investigated. A porosity model has been developed to incorporate the effective material properties of the bi-directional FGP which varies in two directions i.e. along the axial and transverse direction. The geometric discontinuity is also introduced in the plate in the form of a circular cut-out at the center of the plate. The structural kinematic formulation is based on the non-polynomial trigonometric higher-order shear deformation theory (HSDT). Finite element formulation is done using C° continuous Lagrangian quadrilateral four-noded element with seven degrees of freedom per node. The equations of motion have been derived using a variational approach. Convergence and validation studies have been documented to confirm the accuracy and efficiency of the present formulation. A detailed investigation study has been done to evaluate the influence of the circular cut-out, geometric imperfection, porosity inclusions, partial supports, volume fraction indexes (along with the thickness and length), and geometrical configurations on the vibration response of 2D-FGP. It is concluded that after a particular cut-out dimension, the vibration response of the 2D FGP exhibits non-monotonic behavior.
Emadi, Maryam;Nejad, Mohammad Zamani;Ziaee, Sima;Hadi, Amin
Steel and Composite Structures
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제39권5호
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pp.565-581
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2021
In this paper the buckling analysis of the nanoplate made of arbitrary bi-directional functionally graded (BDFG) materials with small scale effects are investigated. To study the small-scale effects on buckling load, the Eringen's nonlocal theory is applied. Employing the principle of minimum potential energy, the governing equations are obtained. Generalize differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the buckling load of BDFG nanoplates. These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. Comparison between the results of GDQ method and other papers for buckling analysis of a simply supported rectangular nano FGM plate reveals the accuracy of GDQ method. At the end some numerical results are presented to study the effects of material length scale parameter, plate thickness, aspect ratio, Poisson's ratio boundary condition and side to thickness ratio on size dependent Frequency.
This paper introduces a novel approach to multi-material topology optimization (MTO) targeting in-plane bi-directional functionally graded (IBFG) non-uniform thickness Reissner-Mindlin plates, employing an alternative active phase approach. The mathematical formulation integrates a first shear deformation theory (FSDT) to address compliance minimization as the objective function. Through an alternating active-phase algorithm in conjunction with the block Gauss-Seidel method, the study transforms a multi-phase topology optimization challenge with multi-volume fraction constraints into multiple binary phase sub-problems, each with a single volume fraction constraint. The investigation focuses on IBFG materials that incorporate adequate local bulk and shear moduli to enhance the precision of material interactions. Furthermore, the well-established mixed interpolation of tensorial components 4-node elements (MITC4) is harnessed to tackle shear-locking issues inherent in thin plate models. The study meticulously presents detailed mathematical formulations for IBFG plates in the MTO framework, underscored by numerous numerical examples demonstrating the method's efficiency and reliability.
In this paper, using consistent couple stress theory and Hamilton's principle, the free vibration analysis of Euler-Bernoulli nano-beams made of bi-directional functionally graded materials (BDFGMs) with small scale effects are investigated. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into consistent couple-stress theory for free vibration analysis of BDFGM nanostructures with arbitrary functions. In addition, in order to obtain small scale effects, the consistent couple-stress theory is also applied. These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. In this theory, the couple-tensor is skew-symmetric by adopting the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor. The material properties except Poisson's ratio are assumed to be graded in both axial and thickness directions, which it can vary according to an arbitrary function. The governing equations are obtained using the concept of Hamilton principle. Generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the natural frequencies of BDFG nano-beam. At the end, some numerical results are presented to study the effects of material length scale parameter, and inhomogeneity constant on natural frequency.
Slimane Debbaghi;Mouloud Dahmane;Mourad Benadouda;Hassen Ait Atmane;Nourddine Bendenia;Lazreg Hadji
Coupled systems mechanics
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제13권1호
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pp.43-60
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2024
This work presents an analytical approach to investigate wave propagation in bi-directional functionally graded cantilever porous beam. The formulations are based on Touratier's higher-order shear deformation beam theory. The physical properties of the porous functionally graded material beam are graded through the width and thickness using a power law distribution. Two porosities models approximating the even and uneven porosity distributions are considered. The governing equations of the wave propagation in the porous functionally graded beam are derived by employing the Hamilton's principle. Closed-form solutions for various parameters and porosity types are obtained, and the numerical results are compared with those available in the literature.The numerical results show the power law index, number of wave, geometrical parameters and porosity distribution models affect the dynamic of the FG beam significantly.
This study presents the free vibrational responses of bi-directional axially graded cylindrical shell panels using 3D graded finite element approximation under a temperature field. The cylindrical shell panel is graded in two directions and made of metal-ceramic materials. To extract material properties, the Voigt model is combined with a Power-law material distribution. Convergence and validation studies are performed on the developed computational model to ensure its accuracy and effectiveness. Furthermore, a parametric study is performed to evaluate the developed model, which demonstrates that geometrical parameters, imperfect materials (porosity), support conditions, and surface temperature all have a significant impact on the free vibration responses of a bi-directional axially graded cylindrical shell panel in a thermal environment.
Classical and first-order nonlocal beam theory are employed in this study to assess the thermal buckling performance of a small-scale conical, cylindrical beam. The beam is constructed from functionally graded (FG) porosity-dependent material and operates under the thermal conditions of the environment. Imperfections within the non-uniform beam vary along both the radius and length direction, with continuous changes in thickness throughout its length. The resulting structure is functionally graded in both radial and axial directions, forming a bi-directional configuration. Utilizing the energy method, governing equations are derived to analyze the thermal stability and buckling characteristics of a nanobeam across different beam theories. Subsequently, the extracted partial differential equations (PDE) are numerically solved using the generalized differential quadratic method (GDQM), providing a comprehensive exploration of the thermal behavior of the system. The detailed discussion of the produced results is based on various applied effective parameters, with a focus on the potential application of nanotubes in enhancing sports bikes performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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