In this research, a semi-analytical solution is presented for computing mechanical displacements and thermal stresses in rotating thick cylindrical pressure vessels made of functionally graded material (FGM). The modulus of elasticity, linear thermal expansion coefficient, and density of the cylinder are assumed to change along the axial direction as a power-law function. It is also assumed that Poisson's ratio and thermal conductivity are constant. This cylinder was subjected to non-uniform internal pressure and thermal loading. Thermal loading varies in two directions. The governing equations are derived by the first-order shear deformation theory (FSDT). Using the multilayer method, a functionally graded (FG) cylinder with variable thickness is divided into n homogenous disks, and n sets of differential equations are obtained. Applying the boundary conditions and continuity conditions between the layers, the solution of this set of equations is obtained. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out bi-directional thermoelastic analysis of clamped-clamped rotating FGM thick-walled cylindrical pressure vessels under variable pressure in the longitudinal direction.
In this paper, an extended finite element method is proposed to analyze both geometric and material non-linear behavior of general Functionally Graded Material (FGM) plate-shell type structures. A user defined subroutine (UMAT) is developed and implemented in Abaqus/Standard to study the elastoplastic behavior of the ceramic particle-reinforced metal-matrix FGM plates-shells. The standard quadrilateral 4-nodes shell element with three rotational and three translational degrees of freedom per node, S4, is extended in the present study, to deal with elasto-plastic analysis of geometrically non-linear FGM plate-shell structures. The elastoplastic material properties are assumed to vary smoothly through the thickness of the plate-shell type structures. The nonlinear approach is based on Mori-Tanaka model to underline micromechanics and locally determine the effective FGM properties and self-consistent method of Suquet for the homogenization of the stress-field. The elasto-plastic behavior of the ceramic/metal FGM is assumed to follow Ludwik hardening law. An incremental formulation of the elasto-plastic constitutive relation is developed to predict the tangent operator. In order to to highlight the effectiveness and the accuracy of the present finite element procedure, numerical examples of geometrically non-linear elastoplastic functionally graded plates and shells are presented. The effects of the geometrical parameters and the volume fraction index on nonlinear responses are performed.
Belabed, Zakaria;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Earthquakes and Structures
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v.14
no.2
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pp.103-115
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2018
In this work, a simple but accurate hyperbolic plate theory for the free vibration analysis of functionally graded material (FGM) sandwich plates is developed. The significant feature of this formulation is that, in addition to including the shear deformation effect, it deals with only 3 unknowns as the classical plate theory (CPT), instead of 5 as in the well-known first shear deformation theory (FSDT) and higher-order shear deformation theory (HSDT). A shear correction factor is, therefore, not required. Two common types of FGM sandwich plates are considered, namely, the sandwich with the FGM face sheet and the homogeneous core and the sandwich with the homogeneous face sheet and the FGM core. The equation of motion for the FGM sandwich plates is obtained based on Hamilton's principle. The closed form solutions are obtained by using the Navier technique. The fundamental frequencies are found by solving the eigenvalue problems. Numerical results of the present theory are compared with the CPT, FSDT, order shear deformation theories (HSDTs), and 3D solutions. Verification studies show that the proposed theory is not only accurate and simple in solving the free vibration behaviour of FGM sandwich plates, but also comparable with the higher-order shear deformation theories which contain more number of unknowns.
In PLZT system, a new type of material for piezoelectric actuator was developed and its properties were investigated. This material consists of three layers : a piezoelectric ceramic layer, an interlayer which composition changes gradually, and another piezoelectric layer. This kind of materials is called functionally Gradient Materials(FGM). The composition of these layers were selected from the $(Pb,\;La)(Zr,\;TiO_3$ system through the concept of materials design. Sintered FGM at $1300^{\circ}C$, 2hr has an interlayer of about $20\mu\textrm{m}$ with no distorted damage. Dielectric and piezoelectic properties of FGM show intervalues of each side composition. The strain-voltage characteristics in FGM system was improved comparison with any single composition. Especially, the FGMs were fabricated which has high piezoelectric-low dielectric composition and low piezoelectric-high dielectric composition. The properties of both FGMs were significantly improved.
The use of functionally graded materials in applications involving severe thermal gradients is quickly gaining acceptance in the composite mechanics community, the aerospace and aircraft industry. In the present study, a refined sandwich plate model is applied to study the free vibration analysis of porous functionally graded material (FGM) sandwich plates with various distribution rate of porosity. Two types of common FG sandwich plates are considered. The first sandwich plate is composed of two FG material (FGM) face sheets and a homogeneous ceramic or metal core. The second one consists of two homogeneous fully metal and ceramic face sheets at the top and bottom, respectively, and a FGM core. The displacement field of the present theory is chosen based on nonlinear variations in the in-plane displacements through the thickness of the sandwich plate. The number of unknowns and equations of motion of the present theory is reduced and hence makes them simple to use. In the analysis, the equation of motion for simply supported sandwich plates is obtained using Hamilton's principle. In order to present the effect of the variation of the porosity distribution on the dynamic behavior of the FGM sandwich plates, new mixtures are proposed which take into account different rate of porosity distribution between the ceramic and the metal. The present method is applicable to study the dynamic behavior of FGM plates and sandwich plates. The frequencies of two kinds of FGM sandwich structures are analyzed and discussed. Several numerical results have been compared with the ones available in the literature.
A review of previous studies shows that although there is a considerable difference between buckling loads of structures under follower and non-follower lateral loads, only the buckling load of FGM elliptical cylindrical shell under non-follower lateral load was investigated in the literature. This study is the first to obtain the buckling load of elliptical FGM cylindrical shells under follower lateral load and also make a comparison between buckling loads of elliptical FGM cylindrical shells under follower and non-follower lateral loads. Moreover, this research is the first one to derive the load potential function of elliptical cylindrical shell. In this regard, the FGM cylindrical elliptical shell was modeled using the semi-analytical finite strip method and based on the First Shear Deformation Theory (FSDT). The shell is discretized by strip elements aligned in the longitudinal direction. The Lagrangian and harmonic shape functions were considered in the circumference and longitudinal directions, respectively. The buckling pressure of the shell under follower and non-follower lateral loads was obtained from eigenvalue problem. The results obtained from the model were compared with those presented in the literature to evaluate the validity of the model. A comparison index was defined to compare the buckling loads of the shell under follower and non-follower lateral load. A parametric study was carried out to investigate the effects of material properties and shell geometry characteristics on the comparison index. For the elliptical cylindrical shells with length-to-radius ratio greater than 16 and major-to-minor axis ratio greater than 0.6, the comparison index reaches to more than 20 percent which is significant. Moreover, the maximum difference is about 30 percent in some cases. The results obtained from the parametric study indicate that the buckling load of long elliptical cylindrical shell under non-follower load is not reliable.
Zahira Sadoun;Riadh Bennai;Mokhtar Nebab;Mouloud Dahmane;Hassen Ait Atmane
Structural Monitoring and Maintenance
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v.10
no.4
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pp.315-337
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2023
During the design phase, it is crucial to determine the interface stresses between the reinforcing plate and the concrete base in order to predict plate end separation failures. In this work, a simple theoretical study of interface shear stresses in beams reinforced with P-FGM and E-FGM plates subjected to an arbitrarily positioned point load, or two symmetrical point loads, was presented using the linear elastic theory. The presence of pores in the reinforcing plate distributed in several forms was also taken into account. For this purpose, we analyze the effects of porosity and its distribution shape on the interracial normal and shear stresses of an FGM beam reinforced with an FRP plate under different types of load. Comparisons of the proposed model with existing analytical solutions in the literature confirm the feasibility and accuracy of this new approach. The influence of different parameters on the interfacial behavior of reinforced concrete beams reinforced with functionally graded porous plates is further examined in this parametric study using the proposed model. From the results obtained in this study, we can say that interface stress is significantly affected by several factors, including the pores present in the reinforcing plate and their distribution shape. Additionally, we can conclude from this study that reinforcement systems with composite plates are very effective in improving the flexural response of reinforced RC beams.
Functionally Gradient Materials(FGM) of 4.5Pb($Ni_{1/3}Nb_{2/3})O_3$-55PZT and PLZT(lO/70 /30, 11/60/40) were prepared. Its dielectric and piezoelectric strain properties were investigated. The FGM were pressed into A/B/ A configuration using two kinds of films, one layer(A) was eliminated from FGM by polishing after sintering at $l250^{\circ}C$, 2 hrs. The acrylic binder system was successfully applied for crack free film through doctor blade method. The thickness of gradent layer in FGM was about 30${\mu}$m. Dielectric properties of FGM show the average value of each side layer. The strain-electric field characteristics of FGM were significantly improved comparison with the other single compositions. The prepared FGM piezoelectric actuator shows about 3${\mu}$m/IOOV displacement.
3차원 쾌속조형(RP: Rapid Prototyping) 기술의 일종인 Selective Laser Sintering(SLS)을 기능성 경사구조(FGM: Functionally graded Materials)의 제작에 응용하기 위하여 마이크로/나노 복합체의 제작 공정을 최적화하고 실험으로 1차원의 FGM 제작을 수행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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