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.
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.
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.
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.
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.
Nejad, Mohammad Zamani;Hadi, Amin;Omidvari, Arash;Rastgoo, Abbas
Structural Engineering and Mechanics
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제67권4호
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pp.417-425
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2018
The main aim of this paper is to investigate the bending of Euler-Bernouilli nano-beams made of bi-directional functionally graded materials (BDFGMs) using Eringen's non-local elasticity theory in the integral form with compare the differential form. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into integral form of Eringen's non-local elasticity theory for bending analysis of BDFGM Euler-Bernoulli nano-beams with arbitrary functions. Material properties of nano-beam are assumed to change along the thickness and length directions according to arbitrary function. The approximate analytical solutions to the bending analysis of the BDFG nano-beam are derived by using the Rayleigh-Ritz method. The differential form of Eringen's non-local elasticity theory reveals with increasing size effect parameter, the flexibility of the nano-beam decreases, that this is unreasonable. This problem has been resolved in the integral form of the Eringen's model. For all boundary conditions, it is clearly seen that the integral form of Eringen's model predicts the softening effect of the non-local parameter as expected. Finally, the effects of changes of some important parameters such as material length scale, BDFG index on the values of deflection of nano-beam are studied.
This paper proposes an effective method for optimizing the structure of functionally graded isotropic and incompressible linear elastic materials. The main emphasis is on utilizing a specialized polytopal composite finite element (PCE) technique capable of handling a broad range of materials, addressing common volumetric locking issues found in nearly incompressible substances. Additionally, it employs a continuum model for bi-directional functionally graded (BFG) material properties, amalgamating these aspects into a unified property function. This study thus provides an innovative approach that tackles diverse material challenges, accommodating various elemental shapes like triangles, quadrilaterals, and polygons across compressible and nearly incompressible material properties. The paper thoroughly details the mathematical formulations for optimizing the topology of BFG structures with various materials. Finally, it showcases the effectiveness and efficiency of the proposed method through numerous numerical examples.
This article focused on studying the buckling behavior of two-dimensional functionally graded (2D-FG) nanosize tubes, including porosity based on first shear deformation and higher-order theory of tube. The nano-scale tube is simulated based on the nonlocal gradient strain theory, and the general equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle for the Zhang-Fu's tube model (as higher-order theory) and Timoshenko beam theory. Finally, the derived equations are solved using a numerical method for both simply-supported and clamped boundary conditions. The parametric study is performed to study the effects of different parameters such as axial and radial FG power indexes, porosity parameter, nonlocal gradient strain parameters on the buckling behavior of di-dimensional functionally graded porous tube.
This paper presents the mechanical buckling of bi-directional functionally graded sandwich beams (BFGSW) with various boundary conditions employing a quasi-3D beam theory, including an integral term in the displacement field, which reduces the number of unknowns and governing equations. The beams are composed of three layers. The core is made from two constituents and varies across the thickness; however, the covering layers of the beams are made of bidirectional functionally graded material (BFGSW) and vary smoothly along the beam length and thickness directions. The power gradation model is considered to estimate the variation of material properties. The used formulation reflects the transverse shear effect and uses only three variables without including the correction factor used in the first shear deformation theory (FSDT) proposed by Timoshenko. The principle of virtual forces is used to obtain stability equations. Moreover, the impacts of the control of the power-law index, layer thickness ratio, length-to-depth ratio, and boundary conditions on buckling response are demonstrated. Our contribution in the present work is applying an analytical solution to investigate the stability behavior of bidirectional FG sandwich beams under various boundary conditions.
Based on Reissner's mixed variational theorem (RMVT), the authors develop a semi-analytical finite element (FE) method for a three-dimensional (3D) bending analysis of nonhomogeneous orthotropic, complete and incomplete toroidal shells subjected to uniformly-distributed loads. In this formulation, the toroidal shell is divided into several finite annular prisms (FAPs) with quadrilateral cross-sections, where trigonometric functions and serendipity polynomials are used to interpolate the circumferential direction and meridian-radial surface variations in the primary field variables of each individual prism, respectively. The material properties of the toroidal shell are considered to be nonhomogeneous orthotropic over the meridianradial surface, such that homogeneous isotropic toroidal shells, laminated cross-ply toroidal shells, and single- and bi-directional functionally graded toroidal shells can be included as special cases in this work. Implementation of the current FAP methods shows that their solutions converge rapidly, and the convergent FAP solutions closely agree with the 3D elasticity solutions available in the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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