This paper introduces a novel approach to multi-material topology optimization (MTO) targeting in-plane bi-directional functionally graded (IBFG) non-uniform thickness Reissner-Mindlin plates, employing an alternative active phase approach. The mathematical formulation integrates a first shear deformation theory (FSDT) to address compliance minimization as the objective function. Through an alternating active-phase algorithm in conjunction with the block Gauss-Seidel method, the study transforms a multi-phase topology optimization challenge with multi-volume fraction constraints into multiple binary phase sub-problems, each with a single volume fraction constraint. The investigation focuses on IBFG materials that incorporate adequate local bulk and shear moduli to enhance the precision of material interactions. Furthermore, the well-established mixed interpolation of tensorial components 4-node elements (MITC4) is harnessed to tackle shear-locking issues inherent in thin plate models. The study meticulously presents detailed mathematical formulations for IBFG plates in the MTO framework, underscored by numerous numerical examples demonstrating the method's efficiency and reliability.
In this article, the buckling and free vibration of multi-directional FGM sandwich plates are investigated. The material properties of FGM sandwich plates are assumed to be varying continuously in the in the longitudinal, transverse and thickness directions. The material properties are evaluated based on Voigt's micro-mechanical model considering power law distribution method with arbitrary power index. Equations of motion for the buckling and vibration analysis of multi-directional FGM sandwich plate are obtained based on refined shear deformation theory. Analytical solution for simply supported multidirectional FGM sandwich plate is carried out using Navier's solution technique. The FGM sandwich plate considered in this work has a homogeneous ceramic core and two functionally graded face sheets. Influence of volume fraction index in the longitudinal, transverse and thickness direction, layer thickness, and geometrical parameter over natural frequency and critical buckling load of multi-directional FGM sandwich plate is investigated. The finding shows a multi-directional functionally graded structures perform better compared to uni-directional gradation. Hence, critical grading parameters have been identified which will guide researchers in selecting fabrication routes for improving the performance of such structures.
The purpose of this paper is to evaluate the moment resistance of glulam post-to-base connections by applying quasi-static cyclic loads. The connectors consisted of inserted plates and drifted pins according to the load direction. The connection types employed in this study were total three including two unidirectional types (H, V) and the multi-directional type (M). The moment resistance of 8 mm-plate M-type is compared to 6 mm plate. Total four types of Post-to-base connection are prepared and tested under pseudo-static reversed cyclic loading. Test results showed that the yield moment of multi-directional connection is about 2 times higher than that uni-directional connections. The ductility ratio of multi-directional connection determined by EEEP was higher that that of uni-directional connection. It was becoming higher as the thickness of plate is increased. The Finite Element Analysis was conducted to estimate the stress distribution behavior of tested connections. Results showed the failure of multi-directional type were caused by the split of pined hole and the shear failure of lifted part of post.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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한국표면공학회 2018년도 춘계학술대회 논문집
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pp.72-72
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2018
A dynamic fatigue characteristic of dental implant system has been evaluated with applying single axial compressive shear loading based on the ISO 14801 standard. For the advanced dynamic fatigue test, multi-directional force and motion needed to be accompanied for more information of mechanical properties as based on mastication in oral environment. In this study, we have prepared loading and motion protocol for the multi-directional fatigue test of dental implant system with single (Apical/Occlusal; AO), and additional mastication motion (Lingual/Facial; LF, Mesial/Distal; MD). As following the prepared protocol (with modification of ISO 14801), fatigue test was conducted to verify the worst case results for the development of highly stabilized dental implant system. Mechanical testing was performed using an universal testing machine (MTS Bionix 858, MN, USA) for static compression and single directional loading fatigue, while the multi-directional loading was performed with joint simulator (ADL-Force 5, MA, USA) under load control. Basically, all mechanical test was performed according to the ISO 14801:2016 standard. Static compression test was performed to identify the maximum fracture force with loading speed of 1.0 mm/min. A dynamic fatigue test was performed with 40 % value of maximum fracture force and 5 Hz loading frequency. A single directional fatigue test was performed with only apical/occlusal (AO) force application, while multi directional fatigue tests were applied $2^{\circ}$ of facial/lingual (FL) or mesial/distal (MD) movement. Fatigue failure cycles were entirely different between applying single-directional loading and multi-directional loading. As a comparison of these loading factor, the failure cycle was around 5 times lower than single-directional loading while applied multi-directional loading. Also, the displacement change with accumulated multi-directional fatigue cycles was higher than that of single directional cycles.
Free vibration analysis of multi-directional porous functionally graded (FG) sandwich plate has been performed for two cases namely: FG skin with homogeneous core and FG core with homogeneous skin. Hamilton's principle was employed and the solution was obtained using Navier's technique. This theory imposes traction-free boundary conditions on the surfaces and does not require shear correction factors. The results obtained are validated with those available in the literature. The composition of metal-ceramic-based functionally graded material (FGM) changes in longitudinal and transverse directions according to the power law. Imperfections in the functionally graded material introduced during the fabrication process were modeled with different porosity laws such as evenly, unevenly distributed, and logarithmic uneven distributions. The effect of porosity laws and geometry parameters on the natural frequency was investigated. On comparing the natural frequency of two cases for perfect and imperfect sandwich plates a reverse trend in natural frequency result was seen. The finding shows a multidirectional functionally graded structures perform better compared to uni-directional gradation. Hence, critical grading parameters and imperfection types have been identified which will guide experimentalists and researchers in selecting fabrication routes for improving the performance of such structures.
Ko, Young Joo;Jung, Young Hoon;Lee, Choong Hyun;Chung, Choong Ki
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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제28권3C호
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pp.159-166
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2008
The stress-strain behavior of soils can usually be regarded as non-linear, while it is also known that the soil exhibits the linear-elastic behavior at pre-failure state (very small strain range, $<10^{-3}%$). This study aims to analyze the variation of anisotropic elastic shear moduli of granular soils in various stress conditions. The stress probe experiments with the triaxial testing device equipped with local strain gages and multi-directional bender elements were conducted. When the stress ratio exceeds the range between -0.5 and 1.5, the elastic shear stiffness in the axial direction deviates from the empirical correlation with current stresses, which indicates that the yielding of soils alters the internal pathway through which the elastic shear wave propagates. The experimental results show that the variation of elastic shear moduli in the horizontal direction closely relates to the volume change of soils.
Zakaria Belabed;Abdeldjebbar Tounsi;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdelouahed Tounsi;Mohamed Bourada;Mohammed A. Al-Osta
Structural Engineering and Mechanics
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제90권3호
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pp.233-252
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2024
This research explores a new finite element model for the free vibration analysis of bi-directional functionally graded (BDFG) beams. The model is based on an efficient higher-order shear deformation beam theory that incorporates a trigonometric warping function for both transverse shear deformation and stress to guarantee traction-free boundary conditions without the necessity of shear correction factors. The proposed two-node beam element has three degrees of freedom per node, and the inter-element continuity is retained using both C1 and C0 continuities for kinematics variables. In addition, the mechanical properties of the (BDFG) beam vary gradually and smoothly in both the in-plane and out-of-plane beam's directions according to an exponential power-law distribution. The highly elevated performance of the developed model is shown by comparing it to conceptual frameworks and solution procedures. Detailed numerical investigations are also conducted to examine the impact of boundary conditions, the bi-directional gradient indices, and the slenderness ratio on the free vibration response of BDFG beams. The suggested finite element beam model is an excellent potential tool for the design and the mechanical behavior estimation of BDFG structures.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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한국지반공학회 2008년도 추계 학술발표회
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pp.1212-1217
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2008
In this study, in order to clarify the effect of the direction of cyclic shear on the post-earthquake settlement the multi-directional shear tests were carried out for Toyoura Japan standard sand, Genkai natural sand and the Granulated Blast Furnace Slag (GBFS). In a series of tests, number of strain cycles was changed as n=5-200 and the shear strain amplitude varied from 0.1% to 1.0%. The relative density was also changed as Dr=50, 60 and 70%. From the test results for Toyoura sand and GBFS, it is clarified that the post cyclic settlement is relatively large at the small relative density and becomes large with the shear strain amplitude. When the influence of the direction of cyclic shear is decreases, the post cyclic settlement strain for Toyoura sand is converged to a constant value, but the GBFS is increased with the number of strain cycles.
Banh, Thanh T.;Nguyen, Xuan Q.;Herrmann, Michael;Filippou, Filip C.;Lee, Dongkyu
Steel and Composite Structures
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제35권1호
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pp.129-145
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2020
In typical, structural topology optimization plays a significant role to both increase stiffness and save mass of structures in the resulting design. This study contributes to a new numerical approach of topologically optimal design of Mindlin-Reissner plates considering Winkler foundation and mathematical formulations of multi-directional variable thickness of the plate by using multi-materials. While achieving optimal multi-material topologies of the plate with multi-directional variable thickness, the weight information of structures in terms of effective utilization of the material at the appropriate thickness location may be provided for engineers and designers of structures. Besides, numerical techniques of the well-established mixed interpolation of tensorial components 4 element (MITC4) is utilized to overcome a well-known shear locking problem occurring to thin plate models. The well-founded mathematical formulation of topology optimization problem with variable thickness Mindlin-Reissner plate structures by using multiple materials is derived in detail as one of main achievements of this article. Numerical examples verify that variable thickness Mindlin-Reissner plates on Winkler foundation have a significant effect on topologically optimal multi-material design results.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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제11권7호
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pp.2661-2669
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2010
In this study, a finite element formulation based first-order shear deformation theory is developed for non-linear behaviors of laminated composite plates containing matrix cracking. The multi-directional stiffness degradation is developed for adopting the stiffness variation induced from matrix cracking, which is proposed by Duan and Yao. The matrix cracking can be expressed in terms of the variation of material properties, such as Young's modulus, shear modulus and Possion ratio of plates, and sequently it is possible to predict the variation of the local stiffness. Using the assumed natural strain method, the present shell element generates neither membrane nor shear locking behavior. Numerical examples demonstrate that the present element behaves quite satisfactorily either for the linear or geometrical nonlinear analysis of laminated composite plates. The results of laminated composite plates with matrix cracking may be the benchmark test for the non-linear analysis of damaged laminated composite plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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