In this paper, an extended finite element method is proposed to analyze both geometric and material non-linear behavior of general Functionally Graded Material (FGM) plate-shell type structures. A user defined subroutine (UMAT) is developed and implemented in Abaqus/Standard to study the elastoplastic behavior of the ceramic particle-reinforced metal-matrix FGM plates-shells. The standard quadrilateral 4-nodes shell element with three rotational and three translational degrees of freedom per node, S4, is extended in the present study, to deal with elasto-plastic analysis of geometrically non-linear FGM plate-shell structures. The elastoplastic material properties are assumed to vary smoothly through the thickness of the plate-shell type structures. The nonlinear approach is based on Mori-Tanaka model to underline micromechanics and locally determine the effective FGM properties and self-consistent method of Suquet for the homogenization of the stress-field. The elasto-plastic behavior of the ceramic/metal FGM is assumed to follow Ludwik hardening law. An incremental formulation of the elasto-plastic constitutive relation is developed to predict the tangent operator. In order to to highlight the effectiveness and the accuracy of the present finite element procedure, numerical examples of geometrically non-linear elastoplastic functionally graded plates and shells are presented. The effects of the geometrical parameters and the volume fraction index on nonlinear responses are performed.
The coupled fluid-structure interaction problem is analyzed using the theoretical method to investigate the coupled vibration characteristics of functionally graded material(FGM) cylindrical shells conveying an incompressible, inviscid fluid. Material properties are assumed to vary continuously through the thickness according to a power law distribution in terms of the volume fraction of the constituents. The steady flow of fluid is described by the classical potential flow theory. The motion of shell represented by the first order shear deformation theory(FSDT) to account for rotary inertia and transverse shear strains. The effect of internal fluid can be taken into consideration by imposing a relation between the fluid pressure and the radial displacement of the structure at the interface. Numerical examples are presented and compared with exiting results.
Employing the non-local strain gradient theory (NSGT), this paper investigates the nonlinear resonance characteristics of functionally graded material (FGM) nanoshells with initial geometric imperfection for the first time. The effective material properties of the porous FGM nanoshells with even distribution of porosities are estimated by a modified power-law model. With the guidance of Love's thin shell theory and considering initial geometric imperfection, the strain equations of the shells are obtained. In order to characterize the small-scale effect of the nanoshells, the nonlocal parameter and strain gradient parameter are introduced. Subsequently, the Euler-Lagrange principle was used to derive the motion equations. Considering three boundary conditions, the Galerkin principle combined with the modified Lindstedt Poincare (MLP) method are employed to discretize and solve the motion equations. Finally, the effects of initial geometric imperfection, functional gradient index, strain gradient parameters, non-local parameters and porosity volume fraction on the nonlinear resonance of the porous FGM nanoshells are examined.
An isoparametric six-node triangular element is utilized for geometrically nonlinear analysis of functionally graded (FG) shells. To overcome the shear and membrane locking, the element is improved by using strain interpolation functions. The Total Lagrangian formulation is employed to include the large displacements and rotations. Finding the nonlinear behavior of FG shells via laminated modeling is also the goal. A power function is employed to formulate the variation of elastic modulus through the thickness of shells. The results are presented in two ways, including the general FGM formulation and the laminated modeling. The equilibrium path is obtained by using the Generalized Displacement Control Method. Some popular benchmarks, including hyperbolical shell structures are solved to declare the correctness and accuracy of proposed formulations.
Khayat, Majid;Dehghan, Seyed Mehdi;Najafgholipour, Mohammad Amir;Baghlani, Abdolhossein
Steel and Composite Structures
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제28권6호
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pp.735-748
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2018
In this study, the semi-analytical finite strip method is adopted to examine the free vibration of cylindrical shells made up of functionally graded material. The properties of functionally graded shells are assumed to be temperature-dependent and vary continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of ceramic and metal. The material properties of the shells and stiffeners are assumed to be continuously graded in the thickness direction. Theoretical formulations based on the smeared stiffeners technique and the classical shell theory with first-order shear deformation theory which accounts for through thickness shear flexibility are employed. The finite strip method is applied to five different shell theories, namely, Donnell, Reissner, Sanders, Novozhilov, and Teng. The approximate procedure is compared favorably with three-dimensional finite elements. Finally, a detailed numerical study is carried out to bring out the effects of power-law index of the functional graded material, stiffeners, and geometry of the shells on the difference between various shell theories. Finally, the importance of choosing the shell theory in simulating the functionally graded cylindrical shells is addressed.
In this paper, the nonlinear vibration behavior of the spiral stiffened multilayer functionally graded (SSMFG) cylindrical shells exposed to the thermal environment and a uniformly distributed harmonic loading using a semi-analytical method is investigated. The cylindrical shell is surrounded by a nonlinear viscoelastic foundation consisting of a two-parameter Winkler-Pasternak foundation augmented by a Kelvin-Voigt viscoelastic model with a nonlinear cubic stiffness. The distribution of temperature and material constitutive of the stiffeners are continuously changed through the thickness direction. The cylindrical shell has three layers consisting of metal, FGM, and ceramic. The interior layer of the cylindrical shell is rich in metal, while the exterior layer is rich in ceramic, and the FG material is located between two layers. The nonlinear vibration problem utilizing the smeared stiffeners technique, the von Kármán equations, and the Galerkin method has been solved. The multiple scales method is utilized to examine the nonlinear vibration behavior of SSMFG cylindrical shells. The considered resonant case is 1:3:9 internal resonance and subharmonic resonance of order 1/3. The influences of different material and geometrical parameters on the vibration behavior of SSMFG cylindrical shells are examined. The results show that the angles of stiffeners, temperature, and elastic foundation parameters have a strong effect on the vibration behaviors of the SSMFG cylindrical shells.
The vibration and stability analysis is investigated for composite cylindrical shells that composed of ceramic, FGM, and metal layers subjected to various loads. Material properties of FG layer are varied continuously in thickness direction according to a simple power distribution in terms of the ceramic and metal volume fractions. The modified Donnell type stability and compatibility equations are obtained. Applying Galerkin's method analytic solutions are obtained for the critical parameters. The detailed parametric studies are carried out to study the influences of thickness variations of the FG layer, radius-to-thickness ratio, lengths-to-radius ratio, material composition and material profile index on the critical parameters of three-layered cylindrical shells. Comparing results with those in the literature validates the present analysis.
Moshkelgosha, Ehsan;Askari, Ehsan;Jeong, Kyeong-Hoon;Shafiee, Ali Akbar
Structural Engineering and Mechanics
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제61권2호
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pp.231-244
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2017
The aim of this study is to develop a semi-analytical method to investigate fluid-structure coupling of concentric double shells with different lengths and elastic behaviours. Co-axial shells constitute a cylindrical circular container and a baffle submerged inside the stored fluid. The container shell is made of functionally graded materials with mechanical properties changing through its thickness continuously. The baffle made of steel is fixed along its top edge and submerged inside fluid such that its lower edge freely moves. The developed approach is verified using a commercial finite element computer code. Although the model is presented for a specific case in the present work, it can be generalized to investigate coupling of shell-plate structures via fluid. It is shown that the coupling between concentric shells occurs only when they vibrate in a same circumferential mode number, n. It is also revealed that the normalized vibration amplitude of the inner shell is about the same as that of the outer shell, for narrower radial gaps. Moreover, the natural frequencies of the fluid-coupled system gradually decrease and converge to the certain values as the gradient index increases.
Ahmed Amine Daikh;Amin Hamdi;Hani M. Ahmed;Mohamed S. Abdelwahed;Alaa A. Abdelrahman;Mohamed A. Eltaher
Advances in nano research
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제15권2호
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pp.113-128
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2023
The advancement of theoretical research has numerous challenges, particularly with regard to the modeling of structures, in contrast to experimental investigation of the mechanical behavior of complex systems. The main objective of this investigation is to provide an analytical analysis of the static problem of a new generation of composite structure, namely, functionally graded FG graphene reinforced composite GRC coated plates/shells. A complex power law function is used to define the material's graduation. Investigations are conducted on Hardcore and Softcore coated FG plates/shells. The virtual work approach is used to perform the equilibrium equations, which are then solved using the Galerkin technique to account for various boundary conditions. With reliable published articles, the presented solution is validated. The effects of hardcore and softcore distributions, gradation indexes, and boundary conditions on the buckling, bending deflection and stresses of FG GRC-coated shells are presented in detail. Obtained results and the developed procedure are supportive for design and manufacturing of FG-GRC coated plates/shells in several fields and industries e.g., aerospace, automotive, marine, and biomedical implants.
Since conical sandwich shells are important structures in the modern industries, in this paper, for the first time, vibration behavior of the truncated conical sandwich shells which include temperature dependent porous FG face sheets and temperature dependent homogeneous core in various thermal conditions are investigated. A high order theory of sandwich shells which modified by considering the flexibility of the core and nonlinear von Karman strains are utilized. Power law rule which modified by considering the two types of porosity volume fractions are applied to model the functionally graded materials. By utilizing the Hamilton's energy principle, and considering the in-plane and thermal stresses in the face-sheets and the core, the governing equations are obtained. A Galerkin procedure is used to solve the equations in a simply supported boundary condition. Uniform, linear and nonlinear temperature distributions are used to model the effect of the temperature changing in the sandwich shell. To verify the results of this study, they are compared with FEM results obtained by Abaqus software and for special cases with the results in literatures. Eigen frequencies variations are surveyed versus the temperature changing, geometrical effects, porosity, and some others in the numerical examples.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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