Vibration of vertically aligned-monolayered-nonuniform nanorods consist of functionally graded materials with elastic supports has not been investigated yet. To fill this gap, the problem is examined using the elasticity theories of Eringen and Gurtin-Murdoch. The geometrical and mechanical properties of the surface layer and the bulk are allowed to vary arbitrarily across the length. The nonlocal-surface energy-based governing equations are established using differential-type and integro-type formulations, and solved by employing the Galerkin method by exploiting admissible modes approach and element-free Galerkin (EFG). Through various comparison studies, the effectiveness of the EFG in capturing both nonlocal-differential/integro-based frequencies is proved. A constructive parametric study is also conducted, and the roles of nanorods' diameter, length, stiffness of both inter-rod's elastic layer and elastic supports, power-law index of both constituent materials and geometry, nonlocal and surface effects on the dominant frequencies are revealed.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.11
no.4
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pp.235-245
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2006
This paper proposes a CSG-based representation scheme for heterogeneous objects including multi-material objects and Functionally Graded Materials (FGMs). In particular, this scheme focuses on the construction of complicated heterogeneous objects guaranteeing desired material continuities at all the interfaces. In order to create various types of heterogeneous primitives, we first describe methods for specifying material composition functions such as geometry-independent, geometry-dependent functions. Constructive Material Composition (CMC) and corresponding heterogeneous Boolean Operators (e.g. material union, difference, intersection. and partition) are then proposed to illustrate how material continuities are dealt with. Finally, we describe the model hierarchy and data structure for computer representation. Even though the proposed scheme alone is sufficient for modeling all sorts of heterogeneous objects, the proposed scheme adopts a hybrid representation between CSG and decomposition. That is because hybrid representation can avoid the unnecessary growth of binary trees.
In this paper, the effect of functionally graded material (FGM) coatings on the fracture behavior of semi-elliptical cracks in cylinders is assessed. The objective is to calculate the stress intensity factor (SIF) of a longitudinal semi-elliptical crack on the wall of an aluminum cylinder with FGM coating. A three-dimensional finite element method (FEM) is used for constructing the mechanical models and analyzing the SIFs of cracks. The effect of many geometrical parameters such as relative depth, crack aspect ratio, FG coating thickness to liner thickness as well as the mechanical properties of the FG coating on the SIF of the cracks is discussed. For a special case, the validity of the FE model is examined. The results indicated that there is a particular crack aspect ratio in which the maximum value of SIFs changes from the deepest point to the surface point of the crack. Moreover, it was found that the SIFs decrease by increasing the thickness ratio of the cylinder. But, the cylinder length has no effect on the crack SIFs.
Liu, Wen-qi;Liu, Shan-jun;Fan, Ming-yu;Tian, Wei;Wang, Ji-peng;Tahouneh, Vahid
Steel and Composite Structures
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v.35
no.2
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pp.295-306
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2020
This paper deals with free vibration analysis of non-uniform column resting on elastic foundations and subjected to follower force at its free end. The internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix according to different patterns. The model is proposed with material parameters varying in the thickness of column to achieve graded distributions in both porosity and nanofillers. The elastic modulus of the nanocomposite is obtained by using Halpin-Tsai micromechanics model. The differential quadrature method as an efficient and accurate numerical approach is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. It is observed that the maximum vibration frequency obtained in the case of symmetric porosity and GPL distribution, while the minimum vibration frequency is obtained using uniform porosity distribution. Results show that for better understanding of mechanical behavior of nanocomposite column, it is crucial to consider porosities inside the material structure.
Yaghoobi, Hessameddin;Valipour, Mohammad Sadegh;Fereidoon, Abdolhossein;Khoshnevisrad, Pooria
Steel and Composite Structures
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v.17
no.5
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pp.753-776
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2014
In this paper, nonlinear vibration and post-buckling analysis of beams made of functionally graded materials (FGMs) resting on nonlinear elastic foundation subjected to thermo-mechanical loading are studied. The thermo-mechanical material properties of the beams are assumed to be graded in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents, and to be temperature-dependent. The assumption of a small strain, moderate deformation is used. Based on Euler-Bernoulli beam theory and von-Karman geometric nonlinearity, the integral partial differential equation of motion is derived. Then this PDE problem which has quadratic and cubic nonlinearities is simplified into an ODE problem by using the Galerkin method. Finally, the governing equation is solved analytically using the variational iteration method (VIM). Some new results for the nonlinear natural frequencies and buckling load of the FG beams such as the influences of thermal effect, the effect of vibration amplitude, elastic coefficients of foundation, axial force, end supports and material inhomogenity are presented for future references. Results show that the thermal loading has a significant effect on the vibration and post-buckling response of FG beams.
In this disquisition, an exact solution method is developed for analyzing the vibration characteristics of magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) beams by considering porosity distribution and various boundary conditions via a four-variable shear deformation refined beam theory for the first time. Magneto-electroelastic properties of porous FG beam are supposed to vary through the thickness direction and are modeled via modified power-law rule which is formulated using the concept of even and uneven porosity distributions. Porosities possibly occurring inside functionally graded materials (FGMs) during fabrication because of technical problem that lead to creation micro-voids in FG materials. So, it is necessary to consider the effect of porosities on the vibration behavior of MEE-FG beam in the present study. The governing differential equations and related boundary conditions of porous MEE-FG beam subjected to physical field are derived by Hamilton's principle based on a four-variable tangential-exponential refined theory which avoids the use of shear correction factor. An analytical solution procedure is used to achieve the natural frequencies of porous-FG beam supposed to magneto-electrical field which satisfies various boundary conditions. A parametric study is led to carry out the effects of material graduation exponent, porosity parameter, external magnetic potential, external electric voltage, slenderness ratio and various boundary conditions on dimensionless frequencies of porous MEE-FG beam. It is concluded that these parameters play noticeable roles on the vibration behavior of MEE-FG beam with porosities. Presented numerical results can be applied as benchmarks for future design of MEE-FG structures with porosity phases.
This study presents a comprehensive nonlinear dynamic approach to investigate the linear and nonlinear vibration of sandwich plates fabricated from functionally graded materials (FGMs) resting on an elastic foundation. Higher-order shear deformation theory and Hamilton's principle are employed to obtain governing equations. The Runge-Kutta method is employed together with the commercially available mathematical software MAPLE 14 to solve the set of nonlinear dynamic governing equations. Method validity is evaluated by comparing the results of this study and those of previous research. Good agreement is achieved. The effects of temperature change on frequencies are investigated considering various temperatures and various volume fraction index values, N. As the temperature increased, the plate frequency decreased, whereas with increasing N, the plate frequency increased. The effects of the side-to-thickness ratio, c/h, on natural frequencies were investigated. With increasing c/h, the frequencies increased nonlinearly. The effects of foundation stiffness on nonlinear vibration of the sandwich plate were also studied. Backbone curves presenting the variation of maximum displacement with respect to plate frequency are presented to provide insight into the nonlinear vibration and dynamic behavior of FGM sandwich plates.
Aman Garg;Simmi Gupta;Hanuman D. Chalak;Mohamed-Ouejdi Belarbi;Abdelouahed Tounsi;Li Li;A.M. Zenkour
Advances in materials Research
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v.12
no.1
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pp.43-65
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2023
Free vibration analysis of power law and sigmoidal sandwich plates made up of functionally graded materials (FGMs) has been carried out using finite element based higher-order zigzag theory. The present model satisfies all-important conditions such as transverse shear stress-free conditions at the plate's top and bottom surface along with continuity condition for transverse stresses at the interface. A Nine-noded C0 finite element having eleven degrees of freedom per node is used during the study. The present model is free from the requirement of any penalty function or post-processing technique and hence is computationally efficient. The present model's effectiveness is demonstrated by comparing the present results with available results in the literature. Several new results have been proposed in the present work, which will serve as a benchmark for future works. It has been observed that the material variation law, power-law exponent, skew angle, and boundary condition of the plate widely determines the free vibration behavior of sandwich functionally graded (FG) plate.
Chaht, Fouzia Larbi;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Beg, O. Anwar;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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v.18
no.2
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pp.425-442
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2015
This paper addresses theoretically the bending and buckling behaviors of size-dependent nanobeams made of functionally graded materials (FGMs) including the thickness stretching effect. The size-dependent FGM nanobeam is investigated on the basis of the nonlocal continuum model. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present model incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a sinusoidal variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FGM nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The governing equations and the related boundary conditions are derived using the principal of minimum total potential energy. A Navier-type solution is developed for simply-supported boundary conditions, and exact expressions are proposed for the deflections and the buckling load. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and stability responses of the FGM nanobeam are discussed in detail. The study is relevant to nanotechnology deployment in for example aircraft structures.
Two-directional functionally graded materials (2D-FGMs) show extraordinary physical properties which makes them ideal candidates for designing smart micro-switches. Pull-in instability is one of the most critical challenges in the design of electrostatically-actuated microswitches. The present research aims to bridge the gap in the static pull-in instability analysis of microswitches composed of 2D-FGM. Euler-Bernoulli beam theory with geometrical nonlinearity effect (i.e. von-Karman nonlinearity) in conjunction with the modified couple stress theory (MCST) are employed for mathematical formulation. The micro-switch is subjected to electrostatic actuation with fringing field effect and Casimir force. Hamilton's principle is utilized to derive the governing equations of the system and corresponding boundary conditions. Due to the extreme nonlinear coupling of the governing equations and boundary conditions as well as the existence of terms with variable coefficients, it was difficult to solve the obtained equations analytically. Therefore, differential quadrature method (DQM) is hired to discretize the obtained nonlinear coupled equations and non-classical boundary conditions. The result is a system of nonlinear coupled algebraic equations, which are solved via Newton-Raphson method. A parametric study is then implemented for clamped-clamped and cantilever switches to explore the static pull-in response of the system. The influences of the FG indexes in two directions, length scale parameter, and initial gap are discussed in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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