Geometrically nonlinear analysis of planar beam and frame structures made of functionally graded material (FGM) by using the finite element method is presented. The material property of the structures is assumed to be graded in the thickness direction by a power law distribution. A nonlinear beam element based on Bernoulli beam theory, taking the shift of the neutral axis position into account, is formulated in the context of the co-rotational formulation. The nonlinear equilibrium equations are solved by using the incremental/iterative procedure in a combination with the arc-length control method. Numerical examples show that the formulated element is capable to give accurate results by using just several elements. The influence of the material inhomogeneity in the geometrically nonlinear behavior of the FGM beam and frame structures is examined and highlighted.
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.
This paper focuses on post-buckling analysis of functionally graded Timoshenko beam subjected to thermal loading by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. Material properties of the beam change in the thickness direction according to a power-law function. The beam is clamped at both ends. The considered highly non-linear problem is solved by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. As far as the authors know, there is no study on the post-buckling analysis of functionally graded Timoshenko beams under thermal loading considering full geometric non-linearity investigated by using finite element method. The convergence studies are made and the obtained results are compared with the published results. In the study, with the effects of material gradient property and thermal load, the relationships between deflections, end constraint forces, thermal buckling configuration and stress distributions through the thickness of the beams are illustrated in detail in post-buckling case.
Forced vibration analysis of a cracked functionally graded microbeam is investigated by using modified couple stress theory with damping effect. Mechanical properties of the functionally graded beam change vary along the thickness direction. The crack is modelled with a rotational spring. The Kelvin-Voigt model is considered in the damping effect. In solution of the dynamic problem, finite element method is used within Timoshenko beam theory in the time domain. Influences of the geometry and material parameters on forced vibration responses of cracked functionally graded microbeams are presented.
This paper presents forced vibration analysis of sandwich deep beams made of functionally graded material (FGM) in face layers and a porous material in core layer. The FGM sandwich deep beam is subjected to a harmonic dynamic load. The FGM in the face layer is graded though the layer thickness. In order to get more realistic result for the deep beam problem, the plane solid continua is used in the modeling of The FGM sandwich deep beam. The equations of the problem are derived based the Hamilton procedure and solved by using the finite element method. The novelty in this paper is to investigate the dynamic responses of sandwich deep beams made of FGM and porous material by using the plane solid continua. In the numerical results, the effects of different material distributions, porosity coefficient, geometric and dynamic parameters on the dynamic responses of the FGM sandwich deep beam are investigated and discussed.
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.
This paper attempts to investigate the free vibration of functionally graded material beams with nonuniform width based on the nonlocal elasticity theory. The theoretical formulations are established following the Euler-Bernoulli beam theory, and the governing equations of motion of the system are derived from the minimum total potential energy principle using the nonlocal elasticity theory. In addition, the Differential Quadrature Method (DQM) is applied, along with the Chebyshev-Gauss-Lobatto polynomials, in order to determine the weighting coefficient matrices. Furthermore, the effects of the nonlocal parameter, cross-section area of the functionally graded material (FGM) beam and various boundary conditions on the natural frequencies are examined. It is observed that the nonlocal parameter and boundary conditions significantly influence the natural frequencies of the functionally graded material beam cross-section. The results obtained, using the Differential Quadrature Method (DQM) under various boundary conditions, are found in good agreement with analytical and numerical results available in the literature.
This paper presents post-buckling analysis of a functionally graded beam under hygro-thermal effect. The material properties of the beam change though height axis with a power-law function. In the nonlinear kinematics of the post-buckling problem, the total Lagrangian approach is used. In the solution of the problem, the finite element method is used within plane solid continua. In the nonlinear solution, the Newton-Raphson method is used with incremental displacements. Comparison studies are performed. In the numerical results, the effects of the material distribution, the geometry parameters, the temperature and the moisture changes on the post-buckling responses of the functionally graded beam are presented and discussed.
Alaa A. Abdelrahman;Hanaa E. Abd-El-Mottaleb;Mohamed G. Elblassy;Eman A. Elshamy
Steel and Composite Structures
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제49권6호
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pp.667-684
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2023
In the context of finite element method, a computational simulation is presented to study and analyze the dynamic behavior of regularly perforated functionally graded rotating beam for the first time. To investigate the effect of perforation configurations, both regular circular and squared perforation patterns are studied. To explore impacts of graded material distributions, both axial and transverse gradation profiles are considered. The material characteristics of graded materials are assumed to be smoothly and continuously varied through the axial or the thickness direction according the nonlinear power gradation law. A computational finite elements procedure is presented. The accuracy of the numerical procedure is verified and compared. Resonant frequencies, axial displacements as well as internal stress distributions throughout the perforated graded rotating cantilever beam are studied. Effects of material distributions, perforation patterns, as well as the rotating beam speed are investigated. Obtained results proved that the graded material distribution has remarkable effects on the dynamic performance. Additionally, circular perforation pattern produces more softening effect compared with squared perforation configuration thus larger values of axial displacements and maximum principal stresses are detected. Moreover, squared perforation provides smaller values of nondimensional frequency parameters at most of vibration modes compared with circular pattern.
Juncheng Fan;Qinyang Li;Sami Muhsen;H. Elhosiny Ali
Computers and Concrete
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제31권2호
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pp.139-149
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2023
This article investigates the statically analysis regarding the thermal buckling behavior of a nonuniform small-scale nanobeam made of functionally graded material based on classic beam theories along with the nonlocal Eringen elasticity. The material distribution of functionally graded structures is composed of temperature-dependent ceramic and metal phases in axial and thickness directions, called two-dimensional functionally graded (2D-FG). The partial differential (PD) formulations and end conditions are extracted by using to the conservation energy method. The porosity voids are assumed in the nonuniform functionally graded (FG) structure. The thermal loads are in the axial direction of the beam. The extracted nonlocal PD equations are also solved by employing generalized differential quadrature method (GDQM). Last but not least, the information acquired is used to produce miniature sensors, providing a unique perspective on the growth of nanoelectromechanical systems (NEMS).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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