In this paper, a new refined hyperbolic shear deformation beam theory for the free vibration analysis of functionally graded beam is presented. The theory accounts for hyperbolic distribution of the transverse shear strains and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the functionally graded beam without using shear correction factors. In addition, the effect of different micromechanical models on the free vibration response of these beams is studied. Various micromechanical models are used to evaluate the mechanical characteristics of the FG beams whose properties vary continuously across the thickness according to a simple power law. Based on the present theory, the equations of motion are derived from the Hamilton's principle. Navier type solution method was used to obtain frequencies, and the numerical results are compared with those available in the literature. A detailed parametric study is presented to show the effect of different micromechanical models on the free vibration response of a simply supported FG beams.
This paper deals with the transient dynamic analysis and elastic wave propagation in a functionally graded graphene platelets (FGGPLs)-reinforced composite thick hollow cylinder, which is subjected to shock loading. A micromechanical model based on the Halpin-Tsai model and rule of mixture is modified for nonlinear functionally graded distributions of graphene platelets (GPLs) in polymer matrix of composites. The governing equations are derived for an axisymmetric FGGPLs-reinforced composite cylinder with a finite length and then solved using a hybrid meshless method based on the generalized finite difference (GFD) and Newmark finite difference methods. A numerical time discretization is performed for the dynamic problem using the Newmark method. The dynamic behaviors of the displacements and stresses are obtained and discussed in detail using the modified micromechanical model and meshless GFD method. The effects of the reinforcement of the composite cylinder by GPLs on the elastic wave propagations in both displacement and stress fields are obtained for various parameters. It is concluded that the proposed micromechanical model and also the meshless GFD method have a high capability to simulate the composite structures under shock loadings, which are reinforced by FGGPLs. It is shown that the modified micromechanical model and solution technique based on the meshless GFD method are accurate. Also, the time histories of the field variables are shown for various parameters.
The time-consuming and less objectivity are the main problems of conventional micromechanical parameters calibration method of Particle Flow Code simulations. Thus this study aims to address these two limitation of the conventional "trial-and-error" method. A new calibration method for the linear parallel bond model (CM-LPBM) is proposed. First, numerical simulations are conducted based on the results of the uniaxial compression tests on limestone. The macroscopic response of the numerical model agrees well with the results of the uniaxial compression tests. To reduce the number of the independent micromechanical parameters, numerical simulations are then carried out. Based on the results of the orthogonal experiments and the multi-factor variance analysis, main micromechanical parameters affecting the macro parameters of rocks are proposed. The macro-micro parameter functions are ultimately established using multiple linear regression, and the iteration correction formulas of the micromechanical parameters are obtained. To further verify the validity of the proposed method, a case study is carried out. The error between the macro mechanical response and the numerical results is less than 5%. Hence the calibration method, i.e., the CM-LPBM, is reliable for obtaining the micromechanical parameters quickly and accurately, providing reference for the calibration of micromechanical parameters.
In this study, the failure behavior of composite material in the biaxial and off-axis loading is studied based on a computational micromechanical model. The model is developed so that the combination of mechanical and thermal loading conditions can be considered in the analysis. The modified generalized plane strain assumption of the theory of elasticity is used for formulation of the micromechanical modeling of the problem. A truly meshless method is employed to solve the governing equation and predict the distribution of micro-stresses in the selected RVE of composite. The fiber matrix interface is assumed to be perfect until the interface failure occurs. The biaxial and off-axis loading of the SiC/Ti and Kevlar/Epoxy composite is studied. The failure envelopes of SiC/Ti and Kevlar/Epoxy composite in off-axis loading, biaxial transverse-transverse and axial-transverse loading are predicted based on the micromechanical approach. Various failure criteria are considered for fiber, matrix and fiber-matrix interface. Comparison of results with the available results in the litreture shows excellent agreement with experimental studies.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2003.04a
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pp.220-223
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2003
The methodology of micromechanical finite element method (MFEM) is proposed to calculate the micromechanical strains on fiber and matrix under mechanical and thermal loadings. For micromechanical analysis, composite structure is idealized the square and hexagonal unit cells. Boundary conditions are determined to calculate the effective material properties of composites and the strain magnification matrix. And they are verified by comparing with the results from multi cells, and the strain distributions of the unit cells are in accordance with those of the multi cells. Finally, the effective material properties of composite structure are obtained with respect to its fiber volume fraction and compared with results from rules-of-mixture.
Binita Dash;Trupti R Mahapatra;Punyapriya Mishra;Debadutta Mishra
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.265-281
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2024
The sound radiation responses of multi-layer composite plates subjected to harmonic mechanical excitation in hygrothermal environment is numerically investigated. A homogenized micromechanical finite element (FE) based on the higher-order mid-plane kinematics replicating quadratic function as well as the through the thickness stretching effect together with the indirect boundary element (IBE) scheme has been first time employed. The isoparametric Lagrangian element (ten degrees of freedom per node) is used for discretization to attain the hygro-thermo-elastic natural frequencies and the modes of the plate via Hamilton's principle. The effective material properties under combined hygrothermal loading are considered via a micromechanical model. An IBE method is then implemented to attain structure-surrounding coupling and the Helmholtz wave equation is solved to compute the sound radiation responses. The effectiveness of the model is tested by converging it with the similar analytical/numerical results as well as the experimentally acquired data. The present scheme is further hold out for solving diverse numerical illustrations. The results revealed the relevance of the current higher-order FE-IBE micromechanical model in realistic estimation of hygro-thermo-acoustic responses. The geometrical parameters, volume fraction of fiber, layup, and support conditions alongside the hygrothermal load is found to have significant influence on the vibroacoustic characteristics.
In this research the hygro-thermo-mechanical loading and micromechanical model effects on bending behavior of functionally graded material plates resting on Winkler and Pasternak elastic foundations, the higher order shear deformation theory is used here. The material properties of the plate: young's modulus, thermal coefficient and moisture expansion coefficient are assumed to be graded in the thickness direction according to various micromechanical models starting with the Voigt's model which is commonly used in most functionally graded plates studies to the Reuss's, LRVE's and Mori-Tanaka's models. The principle of virtual displacement is used to determine the equilibrium equations and the a several numerical results are given to validate the precision of the present method for bending behavior of FGM plates subjected to hygro-thermo-mechanical loading resting on elastic foundations. Afterwards, a parametric study is conducted to determine the effect of different parameters on the deflection of the FGM plates like micromechanical models, type of loading and plate geometry. In the lights of the present research, it can be concluded that the present theory is accurate and simple in predicting the deflection behavior of functionally graded plates under hygro-thermo-mechanical effects and micromechanical models.
In this paper, a new refined hyperbolic shear deformation beam theory for the bending analysis of functionally graded beam is presented. The theory accounts for hyperbolic distribution of the transverse shear strains and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the functionally graded beam without using shear correction factors. In addition, the effect of different micromechanical models on the bending response of these beams is studied. Various micromechanical models are used to evaluate the mechanical characteristics of the FG beams whose properties vary continuously across the thickness according to a simple power law. Based on the present theory, the equilibrium equations are derived from the principle of virtual work. Navier type solution method was used to obtain displacement and stresses, and the numerical results are compared with those available in the literature. A detailed parametric study is presented to show the effect of different micromechanical models on the flexural response of a simply supported FG beams.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.10a
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pp.309-313
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2009
A micromechanical resonance sensor detects the resonance frequency shift due to mass or adsorption induced surface stress change during molecular adsorption or interaction on its surface. The resonance sensor is surrounded by gas or liquid solution during operation. To study the resonance shift phenomena depending on its surrounding environment, fluid-structure interaction of the resonance sensor has been analyzed for the different fluid environment and boundary conditions using finite element analysis.
In this paper, a new higher order shear deformation model is developed for static and free vibration analysis of functionally graded beams with considering porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication. Different patterns of porosity distributions (including even and uneven distribution patterns, and the logarithmic-uneven pattern) are considered. In addition, the effect of different micromechanical models on the bending and free vibration response of these beams is studied. Various micromechanical models are used to evaluate the mechanical characteristics of the FG beams whose properties vary continuously across the thickness according to a simple power law. Based on the present higher-order shear deformation model, the equations of motion are derived from Hamilton's principle. Navier type solution method was used to obtain displacement, stresses and frequencies, 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, micromechanical models, mode numbers, and geometry on the bending and natural frequencies of imperfect FG beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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