In this article, a developed bond-based peridynamic model for functionally graded materials (FGMs) is proposed to simulate the dynamic fracture behaviors in FGMs. In the developed bond-based peridynamic model for FGMs, bonds are categorized into three different types, including transverse directionally peridynamic bond, gradient directionally peridynamic bond and arbitrary directionally peridynamic bond, according to the geometrical relationship between directions of peridynamic bonds and gradient bonds in FGMs. The peridynamic micromodulus in the gradient directionally and arbitrary directionally peridynamic bonds can be determined using the weighted projection method. Firstly, the standard bond-based peridynamic simulations of crack propagation and branching in the homogeneous PMMA plate are performed for validations, and the results are in good agreement with the previous experimental observations and the previous phase-field numerical results. Then, the numerical study of crack initiation, propagation and branching in FGMs are conducted using the developed bond-based peridynamic model, and the influence of gradient direction on the dynamic fracture behaviors, such as crack patterns and crack tip propagation speed, in FGMs is systematically studied. Finally, numerical results reveal that crack branching in FGMs under dynamic loading conditions is easier to occur as the gradient angle decreases, which is measured by the gradient direction and direction of the initial crack.
Since the functionally graded materials (FGMs) are used extensively as thermal barriers in many of applications. Therefore, the current article focuses on studying and presenting dynamic responses of multilayer functionally graded (FG) deep beams placed in a thermal environment that is not addressed elsewhere. The material properties of each layer are proposed to be temperature-dependent and vary continuously through the height direction based on the Power-Law function. The deep layered beam is exposed to harmonic sinusoidal load and temperature rising. In the modelling of the multilayered FG deep beam, the two-dimensional (2D) plane stress continuum model is used. Equations of motion of deep composite beam with the associated boundary conditions are presented. In the frame of finite element method (FEM), the 2D twelve-node plane element is exploited to discretize the space domain through the length-thickness plane of the beam. In the solution of the dynamic problem, Newmark average acceleration method is used to solve the time domain incrementally. The developed procedure is verified and compared, and an excellent agreement is observed. In numerical examples, effects of graduation parameter, geometrical dimension and stacking sequence of layers on the time response of deep multilayer FG beams are investigated with temperature effects.
Ebrahimi, Farzad;Dabbagh, Ali;Rabczuk, Timon;Tornabene, Francesco
Advances in nano research
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v.7
no.2
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pp.135-143
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2019
The important effect of porosity on the mechanical behaviors of a continua makes it necessary to account for such an effect while analyzing a structure. motivated by this fact, a new two-step porosity dependent homogenization scheme is presented in this article to investigate the wave propagation responses of functionally graded (FG) porous nanobeams. In the introduced homogenization method, which is a modified form of the power-law model, the effects of porosity distributions are considered. Based on Hamilton's principle, the Navier equations are developed using the Euler-Bernoulli beam model. Thereafter, the constitutive equations are obtained employing the nonlocal elasticity theory of Eringen. Next, the governing equations are solved in order to reach the wave frequency. Once the validity of presented methodology is proved, a set of parametric studies are adapted to put emphasis on the role of each variant on the wave dispersion behaviors of porous FG nanobeams.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.35
no.12
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pp.1647-1653
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2011
The cycle time in injection moulding greatly depends on the cooling time of the plastic part that is controlled by cooling channels. Cooling channels are required to facilitate the heat transfer rate from the die to the coolant without reducing the strength of the die. Employing layered manufacturing techniques (LMT), a die embedding conformal cooling channels can be fabricated directly while conventional cooling channels are usually made of straight drilled hole. Meanwhile, H13 tool steel is widely used as the die material because of its high thermal resistance and dimensional stability. However, H13 with a low thermal conductivity is not efficient for certain part geometries. In this context, the use of functionally graded materials (FGMs) between H13 and copper may circumvent a tradeoff between the strength and the heat transfer rate. This paper presents a method for modeling of conformal cooling channels made of FGMs.
In this paper, a new higher order shear deformation model is developed for static analysis of functionally graded beams with considering porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication. The model account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the beam without using shear correction factors. The present work aims to study the effect of the distribution forms of porosity on the bending of simply supported FG beam. Based on the present higher-order shear deformation model, the equations of motion are derived by the principle of virtual works. Navier type solution method was used to obtain displacement and stresses, and the numerical results are compared with those available in the literature. A comprehensive parametric study is carried out to assess the effects of volume fraction index, porosity fraction index, and geometry on the bending of imperfect FG beams. It can be concluded that the proposed model is simple and precise for the resolution of the behavior of flexural FGM beams while taking into account the shape of distribution of the porosity.
In the present work, free vibration of beams made of imperfect functionally graded materials (FGMs) including porosities is investigated. Because of faults during process of manufacture, micro voids or porosities may arise in the FGMs, and this situation causes imperfection in the structure. Therefore, material properties of the beams are assumed to vary continuously through the thickness direction according to the volume fraction of constituents described with the modified rule of mixture including porosity volume fraction which covers two types of porosity distribution over the cross section, i.e., even and uneven distributions. The governing equations of power law FGM (P-FGM) and sigmoid law FGM (S-FGM) beams are derived within the frame works of classical beam theory (CBT) and first order shear deformation beam theory (FSDBT). The resulting equations are solved using separation of variables technique and assuming FG beams are simply supported at both ends. To validate the results numerous comparisons are carried out with available results of open literature. The effects of types of volume fraction function, beam theory and porosity volume fraction, as well as the variations of volume fraction index, span to depth ratio and porosity volume fraction, on the first three non-dimensional frequencies are examined in detail.
This paper presents a new nonlocal Hyperbolic Shear Deformation Beam Theory (HSDBT) for the free vibration of porous Functionally Graded (FG) nanobeams. A new displacement field containing integrals is proposed which involves only three variables. The present model incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect and its account for shear deformation by a hyperbolic variation of all displacements through the thickness without using the shear correction factor. It has been observed that during the manufacture of Functionally Graded Materials (FGMs), micro-voids and porosities can occur inside the material. Thus, in this work, the investigation of the free vibration analysis of FG beams taking into account the influence of these imperfections is established. Four different porosity types are considered for FG nanobeam. Material characteristics of the FG beam are supposed to vary continuously within thickness direction according to a power-law scheme which is modified to approximate material characteristics for considering the influence of porosities. Based on the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion of the nanobeam are derived using Hamilton's principle. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio, and the porosity types on the dynamic responses of the nanobeam are discussed.
Casari, Francesco;Zadra, Mario;Girardini, Luca;Molinari, Alberto
Proceedings of the Korean Powder Metallurgy Institute Conference
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2006.09a
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pp.87-88
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2006
Ceramic-Metal Functionally Graded Materials (FGM) are of great interest for application as Thermal Barrier Coating (TBC) or Wear Resistant Coating (WRC). Spark Plasma Sintering (SPS) is a promising techniques for time-saving consolidation of laminated/graduated powder systems: SPS is a pressure-assisted electrical sintering method which directly applies a pulsed DC current as heat source. In the present work, production of $Al_2O_3-Ni$ FGMs by means of Spark Plasma Sintering is considered; effect of sintering condition on density, hardness and fracture toughness is studied. Problems correlated to this new processing technology are discussed.
A two new high-order shear deformation theory for bending analysis is presented for a simply supported, functionally graded plate with porosities resting on an elastic foundation. This porosities may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication, while material properties varying to a simple power-law distribution along the thickness direction. Unlike other theories, there are only four unknown functions involved, as compared to five in other shear deformation theories. The theories presented are variationally consistent and strongly similar to the classical plate theory in many aspects. It does not require the shear correction factor, and gives rise to the transverse shear stress variation so that the transverse shear stresses vary parabolically across the thickness to satisfy free surface conditions for the shear stress. It is established that the volume fraction of porosity significantly affect the mechanical behavior of thick function ally graded plates. The validity of the two new theories is shown by comparing the present results with other higher-order theories. 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.
The present study examines the natural frequencies (NFs) of perfect/imperfect functionally graded sandwich beams (P/IP-FGSBs), which are composed of a porous core constructed of functionally graded materials (FGMs) and a homogenous isotropic metal and ceramic face sheets resting on elastic foundations. To accomplish this, the material properties of the FGSBs are assumed to vary continuously along the thickness direction as a function of the volume fraction of constituents expressed by the modified rule of the mixture, which includes porosity volume fraction represented using four distinct types of porosity distribution models. Additionally, to characterize the reaction of the two-parameter elastic foundation to the Perfect/Imperfect (P/IP) FGSBs, the medium is assumed to be linear, homogeneous, and isotropic, and it is described using the Winkler-Pasternak model. Furthermore, the kinematic relationship of the P/IP-FGSBs resting on the Winkler-Pasternak elastic foundations (WPEFs) is described using trigonometric shear deformation theory (TrSDT), and the equations of motion are constructed using Hamilton's principle. A closed-form solution is developed for the free vibration analysis of P/IP-FGSBs resting on the WPEFs under four distinct boundary conditions (BCs). To validate the new formulation, extensive comparisons with existing data are made. A detailed investigation is carried out for the effects of the foundation coefficients, mode numbers (MNs), porosity volume fraction, power-law index, span to depth ratio, porosity distribution patterns (PDPs), skin core skin thickness ratios (SCSTR), and BCs on the values of the NFs of the P/IP-FGSBs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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