A four-layered W/Cu functionally graded material (FGM) (W90% + Cu10%/W80% + Cu20%/W70% + Cu30%/W60% + Cu40%, wt.% fraction) and a four-layered diamond/W-Cu FGM (W90% + Cu10%/W80% + Cu20%/W70% + Cu30%/W55% + Cu40% + diamond5%, wt.% fraction) were fabricated by microwave sintering. The thermal conductivity and thermal shock resistance of diamond/W-Cu FGM and W-Cu FGM were investigated. The morphologies of the diamond particles and different FGMs were analyzed using AFM, SEM, EDS, and TEM. The results show that a 200 nm rough tungsten coating was formed on the surface of the diamond. The density of the tungsten-coated diamond/W-Cu FGM, obtained by microwave sintering at 1200 ℃ for 30 min, was 94.66%. The thermal conductivity of the fourlayered diamond/W-Cu FGM was 220 W·m-1·K-1, which is higher than that of the four-layered W/Cu FGM (209 W m-1 K-1). This indicates that adding an appropriate amount of tungsten-coated diamond to the high Cu layer W/Cu FGM improves the thermal conductivity of the composite. The diamond/W-Cu FGM sintered at 1200 ℃ for 10 min exhibited better thermal shock resistance than diamond/W-Cu FGM sintered at 1100 ℃ for 10 min.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.10
no.5
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pp.328-338
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2005
CAD systems are routinely used by designers for creating part geometries. Interfaces to CAE/CAM systems are also commonplace enabling the FEA-based design optimization and the rapid fabrication of the designed part. However, conventional CAD systems have thus far focused on objects with homogeneous interior. Two recent advances--use of heterogeneous objects such as Functionally Graded Materials (FGM) in parts and Layered Manufacturing Technology (LMT)--have brought to the forefront the need for CAD systems to support the creation of geometry as well as the graded material inside. We first describe the need and the components of such a CAD system for heterogeneous objects. A prototype CAD system is then described with one specific example (thermal barrier type FGM, pressure vessel) in order to illustrate the use of the implemented CAD system. The implemented system is manually integrated with FEA tools for optimal design. Our ongoing work involves the automation of the integration with FEA tools.
Tounsi, Abdelouahed;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bessaim, Aicha
Structural Engineering and Mechanics
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v.60
no.4
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pp.547-565
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2016
In this work a new 3-unknown non-polynomial shear deformation theory for the buckling and vibration analyses of functionally graded material (FGM) sandwich plates is presented. The present theory accounts for non-linear in plane displacement and constant transverse displacement through the plate thickness, complies with plate surface boundary conditions, and in this manner a shear correction factor is not required. The main advantage of this theory is that, in addition to including the shear deformation effect, the displacement field is modelled with only 3 unknowns as the case of the classical plate theory (CPT) and which is even less than the first order shear deformation theory (FSDT). The plate properties are assumed to vary according to a power law distribution of the volume fraction of the constituents. Equations of motion are derived from the Hamilton's principle. Analytical solutions of natural frequency and critical buckling load for functionally graded sandwich plates are obtained using the Navier solution. The results obtained for plate with various thickness ratios using the present non-polynomial plate theory are not only substantially more accurate than those obtained using the classical plate theory, but are almost comparable to those obtained using higher order theories with more number of unknown functions.
This paper presents a high-order shear and normal deformation theory for the bending of FGM plates. The number of unknowns and governing equations of the present theory is reduced, and hence makes it simple to use. Unlike any other theory, the number of unknown functions involved in displacement field is only four, as against five or more in the case of other shear and normal deformation theories. Based on the novel shear and normal deformation theory, the position of neutral surface is determined and the governing equilibrium equations based on neutral surface are derived. There is no stretching-bending coupling effect in the neutral surface-based formulation, and consequently, the governing equations of functionally graded plates based on neutral surface have the simple forms as those of isotropic plates. Navier-type analytical solution is obtained for functionally graded plate subjected to transverse load for simply supported boundary conditions. The accuracy of the present theory is verified by comparing the obtained results with other quasi-3D higher-order theories reported in the literature. Other numerical examples are also presented to show the influences of the volume fraction distribution, geometrical parameters and power law index on the bending responses of the FGM plates are studied.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.11
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pp.1119-1125
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2009
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.
A state space differential reproducing kernel (DRK) method is developed for the three-dimensional (3D) analysis of functionally graded material (FGM) axisymmetric circular plates with simply-supported and clamped edges. The strong formulation of this 3D elasticity axisymmetric problem is derived on the basis of the Reissner mixed variational theorem (RMVT), which consists of the Euler-Lagrange equations of this problem and its associated boundary conditions. The primary field variables are naturally independent of the circumferential coordinate, then interpolated in the radial coordinate using the early proposed DRK interpolation functions, and finally the state space equations of this problem are obtained, which represent a system of ordinary differential equations in the thickness coordinate. The state space DRK solutions can then be obtained by means of the transfer matrix method. The accuracy and convergence of this method are examined by comparing their solutions with the accurate ones available in the literature.
Celebi, Kerimcan;Yarimpabuc, Durmus;Keles, Ibrahim
Structural Engineering and Mechanics
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v.57
no.5
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pp.823-835
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2016
Using the Complementary Functions Method (CFM), a general solution for the one-dimensional steady-state thermal and mechanical stresses in a hollow thick sphere made of functionally graded material (FGM) is presented. The mechanical properties are assumed to obey the exponential variations in the radial direction, and the Poisson's ratio is assumed to be constant, with general thermal and mechanical boundary conditions on the inside and outside surfaces of the sphere. In the present paper, a semi-analytical iterative technique, one of the most efficient unified method, is employed to solve the heat conduction equation and the Navier equation. For different values of inhomogeneity constant, distributions of radial displacement, radial stress, circumferential stress, and effective stress, as a function of radial direction, are obtained. Various material models from the literature are used and corresponding temperature distributions and stress distributions are computed. Verification of the proposed method is done using benchmark solutions available in the literature for some special cases and virtually exact results are obtained.
Functionally graded material (FGM) has been spotlighted as an advanced composite material due to its excellent thermo-mechanical performance. And the buckling of FGM resting on elastic foundations has been a challenging subject because its behavior is directly connected to the structural safety. In this context, this paper is concerned with a numerical buckling analysis of metal-ceramic FG plates resting on a two-parameter (Pasternak-type) elastic foundation. The buckling problem is formulated based on the neutral surface and the (1,1,0) hierarchical model, and it is numerically approximated by 2-D natural element method (NEM) which provides a high accuracy even for coarse grid. The derived eigenvalue equations are solved by employing Lanczos and Jacobi algorithms. The numerical results are compared with the reference solutions through the benchmark test, from which the reliability of present numerical method has been verified. Using the developed numerical method, the critical buckling loads of metal-ceramic FG plates are parametrically investigated with respect to the major design parameters.
Flexural bending analysis of perfect and imperfect functionally graded materials plates under hygro-thermo-mechanical loading are investigated in this present paper. Due to technical problems during FGM fabrication, porosities and micro-voids can be created inside FGM samples which may lead to the reduction in density and strength of materials. In this investigation, the FGM plates are assumed to have even and uneven distributions of porosities over the plate cross-section. The modified rule of mixture is used to approximate material properties of the FGM plates including the porosity volume fraction. In order the elastic coefficients, thermal coefficient and moisture expansion coefficient of the plate are assumed to be graded in the thickness direction. The elastic foundation is modeled as two-parameter Pasternak foundation. The equilibrium equations are given and a number of examples are solved to illustrate bending response of Metal-Ceramic plates subjected to hygro-thermo-mechanical effects and resting on elastic foundations. The influences played by many parameters are investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.1
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pp.61-66
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2013
With the development of layered manufacturing, thermally conductive molds or molds embedding conformal cooling channels can be directly fabricated. Although P21 tool steel is widely used as a mold material because of its dimensional stability, it is not efficient for cooling molds owing to its low thermal conductivity. Hence, the use of functionally graded materials (FGMs) between P21 and Cu may circumvent a tradeoff between the strength and the heat transfer rate. As a preliminary study for the layered manufacturing of thermally conductive molds having FGM structures, one-dimensional P21-Cu FGMs were fabricated by using laser-aided direct metal tooling (DMT), and then, material properties such as the thermal conductivity and specific heat that are related to the heat transfer were measured and analyzed.
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