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 study we derive the governing equations of a functionally graded piezoelectric disk, subjected to thermo-electro-mechanical loads. First order shear deformation theory is used for description of displacement field. Principles of minimum potential energy is used to derive governing equations in terms of components of the displacement field and the electric potential. The governing equations are derived for a disk with variable thickness. The numerical results are presented in terms of important parameters of the problem such as profile of variable thickness, in-homogeneous index and other related parameters.
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.
Limit elastic speed analysis of Al/SiC-based functionally graded annular disk of uniform thickness has been carried out for two cases, namely: metal-rich and ceramic rich. In the present study, the unknown field variable for radial displacement is solved using variational method wherein the solution was obtained by Galerkin's error minimization principle. One of the objectives was to identify the variation of induced stress in a functionally graded disk of uniform thickness at limit elastic speed using modified rule of mixture by comparing the induced von-Mises stress with the yield stress along the disk radius, thereby locating the yield initiation. Furthermore, limit elastic speed has been reported for a combination of varying grading index (n) and aspect ratios (a/b).Results indicate, limit elastic speed increases with an increase in grading indices. In case of an increase in aspect ratio, limit elastic speed increases up to a critical value beyond which it recedes. Also, the objective was to look at the variation of yield stress corresponding to volume fraction variation within the disk which later helps in material tailoring. The study reveals the qualitative variation of yield stress for FG disk with volume fraction, resulting in the possibility of material tailoring from the processing standpoint, in practice.
In this work, limit elastic speed analysis of functionally graded porous rotating disks has been reported. The work proposes an effective approach for modeling the mechanical properties of a porous functionally graded rotating disk. Four different types of porosity models namely: uniform, symmetric, inner maximum, and outer maximum distribution are considered. The approach used is the variational principle, and the solution has been achieved using Galerkin's error minimization theory. The study aims to investigate the effect of grading indices, aspect ratio, porosity volume fraction, and porosity types on limit angular speed for uniform and variable disk geometries of constant mass. To validate the current study, finite element analysis has been used, and there is good agreement between the two methods. The study yielded a decrease in limit speed as grading indices and aspect ratio increase. The porosity volume fraction is found to be more significant than the aspect ratio effect. The research demonstrates a range of operable speeds for porous and non-porous disk profiles that can be used in industries as design data. The results show a significant increase in limit speed for an exponential disk when compared to other disk profiles, and thus, the study demonstrates a range of FG-based structures for applications in industries that will not only save material (lightweight structures) but also improve overall performance.
In the present work, the deformation and stresses induced in a functionally graded disk have been reported for different loading conditions. The governing differential equation is solved using the classical method namely Navier's method by considering thermal and mechanical boundary conditions at the surface of the disk. To simplify solving the second-order differential equation, a plane stress condition was assumed. Following validation using a one-dimensional steady-state heat condition problem, temperature variations were computed for constant heat generation and varying conductivity. The research aims to investigate both the individual and combined effects of rotation, gravity, and temperature with constant heat generation on a hollow disk operating under complex loading conditions. The results demonstrated a high degree of accuracy when compared with those in existing literature. Material properties, such as Young's modulus, density, conductivity, and thermal expansion coefficient, were modeled using a power law variation along the disk's radius by considering aluminum as a base material. The proposed analytical method is straightforward, providing valuable insights into the behavior of disks under various loading conditions. This method is particularly useful for researchers and industries in selecting appropriate loading conditions and grading parameters for engineering applications, including aerospace components, energy systems, and rotary machinery parts.
This research investigates a rotary disk with variable cross-section and incompressible hyperelastic material with functionally graded properties in large hyperelastic deformations. For this purpose, a power relation has been used to express the changes in cross-section and properties of hyperelastic material. So that (m) represents the changes in cross-section and (n) represents the manner of changes in material properties. The constants used for hyperelastic material have been obtained from experimental data. The obtained equations have been solved for different m, n, and (angular velocity) values, and the values of radial stresses, tangential stresses, and elongation have been compared. The results show that m and n have a significant impact on disk behavior, so the expected behavior of the disk can be obtained by an optimal selection of these two parameters.
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 study, a microscale drilling process was conducted to evaluate the cutting characteristics of functionally graded materials. A mixture of M2 and Cu powders were formed and sintered to produce disk specimens of various compositions. Subsequently, a microscale hole was created in the specimen by using a desktop-size micro-machining system. By using design of experiments and analysis of variance, it was found that the M2-Cu composition, spindle speed, and the interactions between these two factors had significant effects on the magnitude of cutting forces. However, the influence of feed rate on the cutting force was negligible. A mathematical model was established to predict the cutting force under a wide range of process conditions, and the reliability of the model was confirmed experimentally. In addition, it was observed that increasing the wt% of Cu in an M2-Cu specimen increased the high-frequency amplitude of cutting forces.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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