In this paper, the mechanical behaviour of functionally graded material beams is studied using the 3D Saint-Venant's theory, in which the section is free to warp in and out of its plane (Poisson's effects and out-of-plane warpings). The material properties of the FGM beam are distributed continuously through the thickness by several distributions, such as power-law distribution, exponential distribution, Mori-Tanaka schema and sigmoid distribution. The proposed method has been applied to study a simply supported FGM beam. The numerical results obtained are compared to other models in the literature, which show a high performance of the 3D exact theory used to describe the stress and strain fields in FGM beams.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.12
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pp.3715-3727
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1996
Compression behavior of semi-solid aluminum alloys with controlled solid fractions was investigated in the present study. The stress and strain relationships were obtained from the compression test. Variations of the solid fraction distribution and the material behaviour were investigated for various friction coeffieiants and die speedsd. For a finite element analysis, the semi-solid material was described by a compressible regid viscoplastic model for the solid region and darcy's law for the liquid region. The computed results were compared with experimental data for the validity of the yield criteria.
In present work, bending and free vibration studies are carried out on different kinds of sandwich FGM beams using recently proposed (Chakrabarty et al. 2011) C-0 finite element (FE) based higher-order zigzag theory (HOZT). The material gradation is assumed along the thickness direction of the beam. Power-law, exponential-law, and sigmoidal laws (Garg et al 2021c) are used during the present study. Virtual work principle is used for bending solutions and Hamilton's principle is applied for carrying out free vibration analysis as done by Chalak et al. 2014. Stress distribution across the thickness of the beam is also studied in detail. It is observed that the behavior of an unsymmetric beam is different from what is exhibited by a symmetric one. Several new results are also reported which will be useful in future studies.
Park, U.H.;Lee, H.W.;Kim, S.J.;Lee, C.R.;Kim, J.H.
International Journal of Automotive Technology
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v.8
no.5
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pp.623-628
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2007
Reliability analysis based on fracture mechanics requires knowledge of the on statistical parameters m and C in the fatigue crack growth law $da/dN=C({\Delta}K)^m$. The purpose of the present study is to investigate if it is possible to explain the change of parameter m by the fluctuation of C only. In this study, we apply the Paris-Erdogan law treating the parameter C as random and the parameter m as constant. Fluctuations in crack growth rate are assumed to be dependent only on C. The material resistance to fatigue crack growth(Z=1/C) is treated as a spatially random process, that varies along the crack path. The theoretical crack growth rates at various stress intensity factors are discussed. Additionally, the results of constant ${\Delta}K$ fatigue crack growth tests are reported for the structural steel, SM45C. The experimental data have been analyzed to determine the probability distribution of fatigue crack growth resistanc.
The double-lane arrangement model is frequently used in underground coal mines because it is beneficial to improve the mining efficiency of the working face. When the double-lane arrangement is used, the service time of the reserved roadway increases by twice, which causes several difficulties for the maintenance of the roadway. Given the severe non-uniform deformation of the reserved roadway in the Buertai Coal Mine, the stress distribution law in the mining area, the failure characteristics of roadway and the control effect of support resistance (SR) were systematically studied through on-site monitoring, FLAC 3D numerical simulation, mechanical model analysis. The research shows that the deformation and failure of the reserved roadway mainly manifested as asymmetrical roof sag and floor heave in the region behind the working face, and the roof dripping phenomenon occurred in the severe roof sag area. After the coal is mined out, the stress adjustment around goaf will happen to some extent. For example, the magnitude, direction, and confining pressure ratio of the principal stress at different positions will change. Under the influence of high-stress rotation, the plastic zone of the weak surrounding rock is expanded asymmetrically, which finally leads to the asymmetric failure of roadway. The existing roadway support has a limited effect on the control of the stress field and plastic zone, i.e., the anchor cable reinforcement cannot fully control the roadway deformation under given conditions. Based on obtained results, using roadway grouting and advanced hydraulic support during the secondary mining of the panel 22205 is proposed to ensure roadway safety. This study provides a reference for the stability control of roadway with similar geological conditions.
In this paper, thermal effect on the vibration and stability of initially stressed sandwich plates with functionally graded material (FGM) face sheets is analyzed. Material properties of FGM face sheet are graded continuously in the thickness direction. The variation of FGM properties assumes a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The governing equations of arbitrarily initially-stressed sandwich plates including the effects of transverse shear deformation and rotary inertia are derived. The initial stress is taken to be a combination of a uniaxial extensional stress and a pure bending stress in the examples. The eigenvalue problems are formed to study the vibration and buckling characteristics of simple supported initially stressed FGM/metal/FGM plates. The effects of volume fraction index, temperature rise, initial stress and layer thickness of metal on the natural frequencies and buckling loads are investigated. The results reveal that the volume fraction index, initial stresses and layer thickness of metal have significant influence on the vibration and stability of sandwich plates with FGM face sheets.
This paper has numerically investigated the changes of loading-induced stress in concrete with the corrosion time in the sulfate-containing environment. Firstly, based on Fick's law and reaction kinetics, a diffusion-reaction equation of sulfate ion in concrete is proposed, and it is numerically solved to obtain the spatial and temporal distribution of sulfate ion concentration in concrete by the finite difference method. Secondly, by fitting the existed experimental data of concrete in sodium sulfate solutions, the chemical damage of concrete associated with sulfate ion concentration and corrosion time is quantitatively presented. Thirdly, depending on the plastic-damage mechanics, while considering the influence of sulfate attack on concrete properties, a simplified chemo-mechanical damage model, with stress-based plasticity and strain-driven damage, for concrete under axial loading and sulfate attack is determined by introducing the chemical damage degree. Finally, an axially compressed concrete prism immersed into the sodium sulfate solution is regarded as an object to investigate the time-varying stress in concrete subjected to the couplings of axial loading and sulfate attack.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.6
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pp.529-538
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2016
The simplified plate theory is presented for static and free vibration analysis of power-law(P) and sigmoid(S) Functionally Graded Materials(FGM) plates. This theory considers the parabolic distribution of the transverse shear stress, and satisfies the condition that requires the transverse shear stress to be zero on the upper and lower surfaces of the plate, without the shear correction factor. The simplified plate theory uses only four unknown variables and shares strong similarities with classical plate theory(CPT) in many aspects such as stress-resultant expressions, equation of motion and boundary conditions. The material properties of the plate are assumed to vary according to the power-law and sigmoid distributions of the volume fractions of the constituents. The Hamilton's principle is used to derive the equations of motion and Winkler-Pasternak elastic foundation model is employed. The results of static and dynamic responses for a simply supported FGM plate are calculated and a comparative analysis is carried out. The results of the comparative analysis with the solutions of references show relevant and accurate results for static and free vibration problems of FGM plates. Analytical solutions for the static and free vibration problems are presented so as to reveal the effects of the power law index, elastic foundation parameter, and side-to-thickness ratio.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.23
no.7
s.166
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pp.1139-1146
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1999
Reliability analysis of structures based on fracture mechanics requires knowledge on statistical characteristics of the parameter C and m in the fatigue crack growth law, $da/dN=C({\Delta}K)^m$. The purpose of the present study is to investigate if it is possible to predict fatigue crack growth rate by only the fluctuation of the parameter C. In this study, Paris-Erdogan law is adopted, where the author treat the parameter C as random and m as constant. The fluctuation of crack growth rate is assumed only due to the parameter C. The growth resistance coefficient of material to fatigue crack growth (Z=1/C) was treated as a spatial stochastic process, which varies randomly on the crack path. The theoretical crack growth rates at various stress intensity factor range are discussed. Constant ${\Delta}K$ fatigue crack growth tests were performed on the structural steel, SM45C. The experimental data were analyzed to determine the autocorrelation function and Weibull distributions of the fatigue crack growth resistance. And also, the effect of the parameter m of Paris' law due to variation of fatigue crack growth resistance was discussed.
In order to explore the stable anchoring conditions of coal side under the mining disturbance of soft section coal pillar in Wangcun Coal Mine of Chenghe Mining Area, the distribution model of the anchoring support pressure at the coal pillar side was established, using the strain-softening characteristics of the coal to study the distribution law of anchoring coal side support pressure. The analytical solution for the reinforcement anchorage stress in the coal pillar side was derived with the inelastic state mechanical model. The results show that the deformation angle of the roadway side and roof increases with the roof subsidence due to the mining influence at the adjacent working face, the plastic deformation zone extends to the depth of the coal side, and the increase of anchorage stress can effectively control the roof subsidence and further deterioration of plastic zone. The roadway height and the peak support pressure have a certain influence on the anchorage stress, the required anchorage stress of the coal side rises with the roadway height and the peak support pressure. The required anchorage stress of the coal pillar side decreases as the cohesion between the coal seam and the roof and floor and the anchor length increases. Then, applied the research result to Wangcun coal mine in Chenghe mining area, the design of anchor cable reinforcement support was proposed for the section of coal pillars side that has been anchored and deformed, which achieved great results and effectively controlled the convergence and deformation of the side, providing a safety guarantee for the roadway excavation and mining.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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