This research investigates the application of novel functionally graded small-scale materials (FGSMs) in sport and sports structures through an engineering design lens. Functionally graded materials (FGMs) offer tailored material properties, promising enhanced performance and durability. Utilizing an interdisciplinary approach, this study explores the integration of FGSMs in sports equipment and infrastructure. Design considerations specific to sports engineering are emphasized, including lightweight, high-strength materials capable of withstanding dynamic loads. Advanced manufacturing techniques, such as additive manufacturing and nanotechnology, enable precise control over material composition and microstructure. Computational modeling is employed to evaluate the mechanical behavior and performance characteristics of FGSM-based components. Through case studies and comparative analyses, the study showcases the potential of FGSMs to revolutionize sports equipment and structures, offering improved performance, safety, and sustainability. This research contributes to the advancement of sports engineering by exploring the design and application of FGSMs in sport and sports structures.
Modelling of a crack propagating through a finite element mesh under mixed mode conditions is of prime importance in fracture mechanics. In this paper, two crack growth criteria and the respective crack paths prediction in functionally graded materials (FGM) are compared. The maximum tangential stress criterion (${\sigma}_{\theta}-criterion$) and the minimum strain energy density criterion (S-criterion) are investigated using advanced finite element technique. Using Ansys Parametric Design Language (APDL), the variation continues in the material properties are incorporated into the model by specifying the material parameters at the centroid of each finite element. In this paper, the displacement extrapolation technique (DET) proposed for homogeneous materials is modified and investigated, to obtain the stress intensity factors (SIFs) at crack-tip in FGMs. Several examples are modeled to evaluate the accuracy and effectiveness of the combined procedure. The effect of the defects on the crack propagation in FGMs was highlighted.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.7
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pp.851-858
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2010
A generalized elastic solution for a transient mode III crack propagating along the gradient in functionally graded materials (FGMs) is obtained through an asymptotic analysis. The shear modulus and density of the FGMs are assumed to vary exponentially along the gradient. The stress and displacement fields near the crack tip are obtained in terms of powers of radial coordinates, and the coefficients depend on the time rates of the change of the crack tip speed and stress intensity factors. The influence of nonhomogeneity and transients on the higher order terms of the stress and displacement fields is discussed.
Artificial neural networks (ANNs) are known as intelligent methods for modeling the behavior of physical phenomena because of it is a soft computing technique and takes data samples rather than entire data sets to arrive at solutions, which saves both time and money. ANN is successfully used in the civil engineering applications which are suitable examining the complicated relations between variables. Functionally graded materials (FGMs) are advanced composites that successfully used in various engineering design. The FGMs are nonhomogeneous materials and made of two different type of materials. In the present study, the bending analysis of functionally graded material (FGM) beams presents on theoretical based on combination of mixed-finite element method, Gâteaux differential and Timoshenko beam theory. The main idea in this study is to build a model using ANN with four parameters that are: Young's modulus ratio (Et/Eb), a shear correction factor (ks), power-law exponent (n) and length to thickness ratio (L/h). The output data is the maximum displacement (w). In the experiments: 252 different data are used. The proposed ANN model is evaluated by the correlation of the coefficient (R), MAE and MSE statistical methods. The ANN model is very good and the maximum displacement can be predicted in ANN without attempting any experiments.
Proceedings of the Korean Powder Metallurgy Institute Conference
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2006.09a
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pp.85-86
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2006
A theoretical model is applied to the analysis of thermomechanical properties of $Al-SiC_p$ FGMs in this study. Functionally graded $Al-SiC_p$ composites ($Al-SiC_p$ FGMs) consisted with 10 layers gradually changing volume fractions of Al and $SiC_p$ were fabricated using the pressureless infiltration technique. $Al-SiC_p$ FGMs plates of total thickness of 3mm, 5mm and 7mm with fairly uniform distribution and compositional gradient of $SiC_p$ reinforcement in the Al matrix throughout the thickness was successfully fabricated. The curvature of $Al-SiC_p$ FGM plates was measured to check the internal stress distribution predicted via a theoretical model for the analysis of thermo-mechanical deformation. The evolution of curvature and also internal stresses in response to temperature variations could be predicted for the different combinations of geometric thickness of FGM plates. Theoretical prediction of thermally induced stress distribution makes it possible to design FGM structures without any critical failure during the usage of them.
A simple plane-strain solution is derived in this paper for the functionally graded multilayered isotropic elastic cylinder under static deformation. The solution is obtained using method of separation of variables and is expressed in terms of the summation of the Fourier series in the circumferential direction. While the solution for order n = 0 corresponds to the axisymmetric deformation, that for n = 2 includes the special deformation frequently utilized in the upper and lower bounds analysis. Numerical results for a three-phase cylinder with a middle functionally graded layer are presented for both axisymmetric (n = 0) and general (n = 2) deformations, under either the traction or displacement boundary conditions on the surface of the layered cylinder. The solution to the general deformation case (n = 2) is further utilized for the first time to find the upper and lower bounds of the effective shear modulus of the layered cylinder with a functionally graded middle layer. These results could be useful in the future study of cylindrical composites where FGMs and/or multilayers are involved.
Titanium cabide, TiC-x mole% Al composites, and functionally-graded materials (FGMs) of TiC-x mole% Al were synthesized by an electrothermal combustion (ETC) method. TiC-70 mole% Al composite was not ignited by indirect tungsten coil heating, but can be synthesized by an electrothermal combustion. The velocity of the combustion wave decreased with increasing addition of Al and increased with an increase in the applied electric field. Functionally-graded TiC-Al materials were made from reactant layers with compositions of Ti+C+x moles Al with x ranging from zero to 70 by an electrothermal combustion. In the FGM products a nearly linear change in composition in the graded region was observed in samples with 0$\leq$ x $\leq$ 70 with x being the mole% Al.
Benferhat, R.;Hassaine Daouadji, T.;Hadji, L.;Said Mansour, M.
Steel and Composite Structures
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v.21
no.1
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pp.123-136
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2016
This work focuses on the behavior of the static analysis of functionally graded plates materials (FGMs) with porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication. For this purpose a new refined plate theory is used in this work, it contains only four unknowns, unlike five unknowns for other theories. This new model meets the nullity of the transverse shear stress at the upper and lower surfaces of the plate. The parabolic distribution of transverse shear stresses along the thickness of the plate is taken into account in this analysis; the material properties of the FGM plate vary a power law distribution in terms of volume fraction of the constituents. The rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the FG plates with porosity phases. The validity of this theory is studied by comparing some of the present results with other higher-order theories reported in the literature, the influence of material parameter, the volume fraction of porosity and the thickness ratio on the behavior mechanical P-FGM plate are represented by numerical examples.
This paper presents a numerical solution for the thick cylinders made of functionally graded materials (FGMs) with a constant Poisson's ratio and an arbitrary Young's modulus. We define two fundamental solutions which are derived from an ordinary differential equation under two particular initial boundary conditions. In addition, for the single layer case, we can define the transfer matrix N. The matrix gives a relation between the values of stress and displacement at the interior and exterior points. By using the assumed boundary condition and the transfer matrix, we can obtain the final solution. The transfer matrix method also provides an effective way for the solution of multiply layered cylinder. Finally, a lot of numerical examples are present.
Putting emphasis on the effect of existence of porosity in the functionally graded materials (FGMs) on the dynamic responses of waves scattered in FG nanobeams resulted in implementation of a novel porosity-based homogenization method for FGMs and show its applicability in a wave propagation problem in the presence of axial pre-load for the first time. In the employed porosity-dependent method, the coupling between density and Young's moduli is included to consider for the effective moduli of the FG nanobeam by the means of a more reliable homogenization technique. The beam-type element will be modeled via the classical theory of beams, namely Euler-Bernoulli beam theory. Also, the dynamic form of the principle of virtual work will be extended for such nanobeams to derive the motion equations. Applying the nonlocal constitutive equations of Eringen on the obtained motion equations will be resulted in derivation of the nanobeam's governing equations. Depicted results reveal that the dispersion responses of FG nanobeams will be decreased as the porosity volume fraction is increased which must be noticed by the designers of advanced nanosize devices who are interested in employment of wave dispersion approach in continuous systems for specific goals.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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