Jia, Xiao L.;Zhang, Shi M.;Yang, Jie;Kitipornchai, Sritawat
Coupled systems mechanics
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제2권3호
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pp.215-230
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2013
This paper investigates the pull-in instability of functionally graded poly-SiGe micro-beams under the combined electrostatic and intermolecular forces and temperature change. The exponential distribution model and Voigt model are used to analyze the functionally graded materials (FGMs). Principle of virtual work is used to derive the nonlinear governing differential equation which is then solved using differential quadrature method (DQM). A parametric study is conducted to show the significant effects of material composition, geometric nonlinearity, temperature change and intermolecular Casimir force.
This research studies thermo-elastic behavior of rotating micro discs that are employed in various micro devices such as micro gas turbines. It is assumed that material is functionally graded with a variable profile thickness, density, shear modulus and thermal expansion in terms of radius of micro disc and as a power law function. Boundary condition is considered fixed-free with uniform thermal loading and elastic field is symmetric. Using incompressible material's constitutive equation, we extract governing differential equation of four orders; to solution this equation, we utilize general differential quadrature (GDQ) method and the results are schematically pictured. The obtained result in a particular case is compared with another work and coincidence of results is shown. We will find out that surface effect tends to split micro disc's area to compressive and tensile while nonlocal parameter tries to converge different behaviors with each other; this convergence feature make FGIMs capable to resist in high temperature and so in terms of thermo-elastic behavior we can suggest, using FGIMs in micro devices such as micro turbines (under glass transition temperature).
This paper proposes an efficient approach for the structural topology optimization of bi-directional functionally graded structures by incorporating popular radial basis functions (RBFs) into an implicit level set (ILS) method. Compared to traditional element density-based methods, a level set (LS) description of material boundaries produces a smoother boundary description of the design. The paper develops RBF implicit modeling with multiquadric (MQ) splines, thin-plate spline (TPS), exponential spline (ES), and Gaussians (GS) to define the ILS function with high accuracy and smoothness. The optimization problem is formulated by considering RBF-based nodal densities as design variables and minimizing the compliance objective function. A LS-RBF optimization method is proposed to transform a Hamilton-Jacobi partial differential equation (PDE) into a system of coupled non-linear ordinary differential equations (ODEs) over the entire design domain using a collocation formulation of the method of lines design variables. The paper presents detailed mathematical expressions for BiDFG beams topology optimization with two different material models: continuum functionally graded (CFG) and mechanical functionally graded (MFG). Several numerical examples are presented to verify the method's efficiency, reliability, and success in accuracy, convergence speed, and insensitivity to initial designs in the topology optimization of two-dimensional (2D) structures. Overall, the paper presents a novel and efficient approach to topology optimization that can handle bi-directional functionally graded structures with complex geometries.
In this work, a new hyperbolic shear deformation beam theory is proposed based on a modified couple stress theory (MCST) to investigate the bending and free vibration responses of functionally graded (FG) micro beam made of porous material. This non-classical micro-beam model introduces the material length scale coefficient which can capture the size influence. The non-classical beam model reduces to the classical beam model when the material length scale coefficient is set to zero. The mechanical material properties of the FG micro-beam are assumed to vary in the thickness direction and are estimated through the classical rule of mixture which is modified to approximate the porous material properties with even and uneven distributions of porosities phases. Effects of several important parameters such as power-law exponents, porosity distributions, porosity volume fractions, the material length scale parameter and slenderness ratios on bending and dynamic responses of FG micro-beams are investigated and discussed in detail. It is concluded that these effects play significant role in the mechanical behavior of porous FG micro-beams.
Ebrahimi, Farzad;Mahmoodi, Fateme;Barati, Mohammad Reza
Advances in materials Research
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제6권3호
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pp.279-301
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2017
Thermo-mechanical vibration characteristics of in homogeneousporous functionally graded (FG) micro/nanobeam subjected to various types of thermal loadings are investigated in the present paper based on modified couple stress theory with consideration of the exact position of neutral axis. The FG micro/nanobeam is modeled via a refined hyperbolic beam theory in which shear deformation effect is verified needless of shear correction factor. A modified power-law distribution which contains porosity volume fraction is used to describe the graded material properties of FG micro/nanobeam. Temperature field has uniform, linear and nonlinear distributions across the thickness. The governing equations and the related boundary conditions are derived by Extended Hamilton's principle and they are solved applying an analytical solution which satisfies various boundary conditions. A comparison study is performed to verify the present formulation with the known data in the literature and a good agreement is observed. The parametric study covered in this paper includes several parameters such as thermal loadings, porosity volume fraction, power-law exponents, slenderness ratio, scale parameter and various boundary conditions on natural frequencies of porous FG micro/nanobeams in detail.
The purpose of this paper is to study the geometrically nonlinear free vibration of functionally graded nano/micro beams (FGNBs) based on the modified couple stress theory. For practical applications, some analytical expressions of nonlinear frequencies for FGNBs on a nonlinear Pasternak foundation are developed. Hamilton's principle is employed to obtain nonlinear governing differential equations in the context of both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories for a comprehensive investigation. The modified continuum theory contains one material length scale parameter to capture the size effect. The variation of two-constituent material along the thickness is modeled using Reddy's power-law. Also, the Mori-Tanaka method as an accurate homogenization technique is implemented to estimate the effective material properties of the FGNBs. The results are presented for both hinged-hinged and clamped-clamped boundary conditions. The nonlinear partial differential equations are reduced to ordinary differential equations using Galerkin method and then the powerful method of homotopy analysis is utilized to obtain the semi-analytical solutions. Eventually, the presented analytical expressions are used to examine the influences of the length scale parameter, material gradient index, and elastic foundation on the nonlinear free vibration of FGNBs.
In this paper, the first-order shear deformation theory (FSDT) (Mindlin) for continuum incorporating surface energy is exploited to study the static behavior of ultra-thin functionally graded (FG) plates. The size-dependent mechanical response is very important while the plate thickness reduces to micro/nano scales. Bulk stresses on the surfaces are required to satisfy the surface balance conditions involving surface stresses. Unlike the classical continuum plate models, the bulk transverse normal stress is preserved here. By incorporating the surface energies into the principle of minimum potential energy, a series of continuum governing differential equations which include intrinsic length scales are derived. The modifications over the classical continuum stiffness are also obtained. To illustrate the application of the theory, simply supported micro/nano scaled rectangular films subjected to a transverse mechanical load are investigated. Numerical examples are presented to present the effects of surface energies on the behavior of functionally graded (FG) film, whose effective elastic moduli of its bulk material are represented by the simple power law. The proposed model is then used for a comparison between the continuum analysis of FG ultra-thin plates with and without incorporating surface effects. Also, the transverse shear strain effect is studied by a comparison between the FG plate behavior based on Kirchhoff and Mindlin assumptions. In our analysis the residual surface tension under unstrained conditions and the surface Lame constants are expected to be the same for the upper and lower surfaces of the FG plate. The proposed model is verified by previous work.
The present paper develops application of third-order shear deformation theory (TSDT) and modified couple stress theory (MCST) to size-dependent bending analysis of a functionally graded cylindrical micro-shell. The radial and axial displacement components are described based on TSDT for more accurate analysis. The effect of small scales is accounted based on MCST. The principle of virtual work is used for derivation of bending governing equations. The solution is presented for a simply-supported boundary condition to account the influence of various important parameters such as micro length scale parameter, in-homogeneous index and some dimensionless geometric parameters such as length to radius and length to thickness ratios on the bending results. A comparative analysis is presented to examine the effect of order of employed shear deformation theory on the axial and radial displacements.
In this paper, the classical continuum mechanics is adopted and modified to be consistent with the unique behavior of micro/nano solids. At first, some kinematical principles are discussed to illustrate the effect of the discrete nature of the microstructure of micro/nano solids. The fundamental equations and relations of the modified couple stress theory are derived to illustrate the microstructural effects on nanostructures. Moreover, the effect of the material surface energy is incorporated into the modified continuum theory. Due to the reduced coordination of the surface atoms a residual stress field, namely surface pretension, is generated in the bulk structure of the continuum. The essential kinematical and kinetically relations of nano-continuums are derived and discussed. These essential relations are used to derive a size-dependent model for Mindlin functionally graded (FG) nano-plates. An analytical solution is derived to show the feasibility of the proposed size-dependent model. A parametric study is provided to express the effect of surface parameters and the effect of the microstructure couple stress on the bending behavior of a simply supported FG nano plate.
In the current work, static and free torsional vibration of functionally graded (FG) nanorods are investigated using Fourier sine series. The boundary conditions are described by the two elastic torsional springs at the ends. The distribution of functionally graded material is considered using a power-law rule. The systems of equations of the mechanical response of nanorods subjected to deformable boundary conditions are achieved by using the modified couple stress theory (MCST) and taking the effects of torsional springs into account. The idea of the study is to construct an eigen value problem involving the torsional spring parameters with small scale parameter and functionally graded index. This article investigates the size dependent free torsional vibration based on the MCST of functionally graded nano/micro rods with deformable boundary conditions using a Fourier sine series solution for the first time. The eigen value problem is constructed using the Stokes' transform to deformable boundary conditions and also the convergence and accuracy of the present methodology are discussed in various numerical examples. The small size coefficient influence on the free torsional vibration characteristics is studied from the point of different parameters for both deformable and rigid boundary conditions. It shows that the torsional vibrational response of functionally graded nanorods are effected by geometry, small size effects, boundary conditions and material composition. Furthermore, for all deformable boundary conditions in the event of nano-sized FG nanorods, the incrementing of the small size parameters leads to increas the torsional frequencies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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