The free vibration of axially functionally graded tapered arches including shear deformation and rotatory inertia are studied through solving the governing differential equation of motion. Numerical results are presented for circular, parabolic, catenary, elliptic and sinusoidal arches with hinged-hinged, hinged-clamped and clamped-clamped end restraints. In this study Differential Quadrature element of lowest order (DQEL) or Lagrangian Interpolation technique is applied to solve the problems. Three general taper types for rectangular section are considered. The lowest four natural frequencies are calculated and compared with the published results.
This paper studies the buckling response of nonuniform functionally graded micro-sized tubes according to the high-order tube theory (HOTT) and classical beam theory (CBT) in addition to nonlocal strain gradient theory. The microtube is made of axially functionally graded material (AFGM). Both inner and outer tube radiuses are changed along the tube length; the microtube is the truncated conical type of tube. The nonlinear partial differential (PD) the formulations are obtained on the basis of the energy conservation method. Then, the linear and nonlinear results are computed via a powerful numerical approach. Finally, the impact of various parameters on the stability of axially functionally graded (AFG) microtube regarding the buckling analysis is discussed.
In the present study, microstructure-dependent static stability analysis of inhomogeneous tapered micro-columns is performed. It is considered that the micro column is made of functionally graded materials and has a variable cross-section. The material and geometrical properties of micro column vary continuously throughout the axial direction. Euler-Bernoulli beam and modified couple stress theories are used to model the nonhomogeneous micro column with variable cross section. Rayleigh-Ritz solution method is implemented to obtain the critical buckling loads for various parameters. A detailed parametric study is performed to examine the influences of taper ratio, material gradation, length scale parameter, and boundary conditions. The validity of the present results is demonstrated by comparing them with some related results available in the literature. It can be emphasized that the size-dependency on the critical buckling loads is more prominent for bigger length scale parameter-to-thickness ratio and changes in the material gradation and taper ratio affect significantly the values of critical buckling loads.
This study presents the free vibrational responses of bi-directional axially graded cylindrical shell panels using 3D graded finite element approximation under a temperature field. The cylindrical shell panel is graded in two directions and made of metal-ceramic materials. To extract material properties, the Voigt model is combined with a Power-law material distribution. Convergence and validation studies are performed on the developed computational model to ensure its accuracy and effectiveness. Furthermore, a parametric study is performed to evaluate the developed model, which demonstrates that geometrical parameters, imperfect materials (porosity), support conditions, and surface temperature all have a significant impact on the free vibration responses of a bi-directional axially graded cylindrical shell panel in a thermal environment.
Studying the dynamic behavior of axially moving cylindrical shells in hygro-thermal environments has important theoretical and engineering value for aircraft design. Therefore, in this paper, considering hygro-thermal effect, the nonlinear forced vibration of an axially moving cylindrical shell made of functionally graded materials (FGM) is studied. It is assumed that the material properties vary continuously along the thickness and contain pores. The Donnell thin shell theory is used to derive the motion equations of FGM cylindrical shells with hygro-thermal loads. Under the four sides clamped (CCCC) boundary conditions, the Gallekin method and multi-scale method are used for nonlinear analysis. The effects of power law index, porosity coefficient, temperature rise, moisture concentration, axial velocity, prestress, damping and external excitation amplitude on nonlinear forced vibration are explored through parametric research. It can be found that, the changes in temperature and humidity have a significant effect. Increasing in temperature and humidity will cause the resonance position to shift to the left and increase the resonance amplitude.
Nonlinear internal modals interactions analysis of axially functionally graded nanorods is evaluated on the basis of nonlocal elasticity theory and Rayleigh beam model for the first time. Functionally graded materials can be determined as nonhomogeneous composites which are obtained by combining of two various materials in order to get a new ideal material. In this research, material properties of nanorods are supposed to be calmly varied along the axial direction. Hamilton's principle is used to derive the equations with consideration of Von-Kármán's geometrically nonlinearity. Harmonic Differential Quadrature (HDQ) and Multiple Scale (MS) solution techniques are used to derive an approximate-analytic solution to the linear and nonlinear free axial vibration problem of non-classical nanorods for clamped-clamped and clamped-free boundary conditions. A parametric study is carried out to indicate the effects of index of AFG, aspect ratio, mode number, internal resonances and nonlinear amplitude on nonlinear nonlocal frequencies of axially functionally graded nanorods. Also, the effects of nonlocal and nonlinear coefficients and AFG index on relationships of internal resonances have been investigated. The presented theatrical-semi analytical model has the ability to predict very suitable results for extracting the internal modal interactions in the AFG nanorod.
This work aims to study effects of the crack and the surface energy on the free longitudinal vibration of axially functionally graded nanorods. The surface energy parameters considered are the surface stress, the surface density, and the surface Lamé constants. The cracked nanorod is modelled by dividing it into two parts connected by a linear spring in which its stiffness is related to the crack severity. The surface and bulk material properties are considered to vary in the length direction according to the power law distribution. Hamilton's principle is implemented to derive the governing equation of motion and boundary conditions. Considering the surface stress causes that the derived governing equation of motion becomes non-homogeneous while this was not the case in works that only the surface density and the surface Lamé constants were considered. To extract the frequencies of nanorod, firstly the non-homogeneous governing equation is converted to a homogeneous one using an appropriate change of variable, and then for clamped-clamped and clamped-free boundary conditions the governing equation is solved using the harmonic differential quadrature method. Since the present work considers effects of all the surface energy parameters, it can be claimed that this is a comprehensive work in this regard.
Anandrao, K. Sanjay;Gupta, R.K.;Ramchandran, P.;Rao, G. Venkateswara
Structural Engineering and Mechanics
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제36권5호
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pp.545-560
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2010
Two or more distinct materials are combined into a single functionally graded material (FGM) where the microstructural composition and properties change gradually. Thermal post-buckling behavior of uniform slender FGM beams is investigated independently using the classical Rayleigh-Ritz (RR) formulation and the versatile Finite Element Analysis (FEA) formulation developed in this paper. The von-Karman strain-displacement relations are used to account for moderately large deflections of FGM beams. Bending-extension coupling arising due to heterogeneity of material through the thickness is included. Simply supported and clamped beams with axially immovable ends are considered in the present study. Post-buckling load versus deflection curves and buckled mode shapes obtained from both the RR and FEA formulations for different volume fraction exponents show an excellent agreement with the available literature results for simply supported ends. Response of the FGM beam with clamped ends is studied for the first time and the results from both the RR and FEA formulations show a very good agreement. Though the response of the FGM beam could have been studied more accurately by FEA formulation alone, the authors aim to apply the RR formulation is to find an approximate closed form post-buckling solutions for the FGM beams. Further, the use of the RR formulation clearly demonstrates the effect of bending-extension coupling on the post-buckling response of the FGM beams.
Anandrao, K. Sanjay;Gupta, R.K.;Ramchandran, P.;Rao, G. Venkateswara
Structural Engineering and Mechanics
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제44권3호
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pp.339-361
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2012
Large amplitude free vibration and thermal post-buckling of shear flexible Functionally Graded Material (FGM) beams is studied using finite element formulation based on first order Timoshenko beam theory. Classical boundary conditions are considered. The ends are assumed to be axially immovable. The von-Karman type strain-displacement relations are used to account for geometric non-linearity. For all the boundary conditions considered, hardening type of non-linearity is observed. For large amplitude vibration of FGM beams, a comprehensive study has been carried out with various lengths to height ratios, maximum lateral amplitude to radius of gyration ratios, volume fraction exponents and boundary conditions. It is observed that, for FGM beams, the non-linear frequencies are dependent on the sign of the vibration amplitudes. For thermal post-buckling of FGM beams, the effect of shear flexibility on the structural response is discussed in detail for different volume fraction exponents, length to height ratios and boundary conditions. The effect of shear flexibility is observed to be predominant for clamped beam as compared to simply supported beam.
Cantilever structures demonstrate diverse nonlocal effects, resulting in either stiffness hardening or dynamic softening behaviors, as various studies have indicated. This research delves into the free and forced vibration analysis of rotating nanoscale cylindrical beams and tubes under external dynamic stress, aiming to thoroughly explore the nonlocal impact from both angles. Utilizing Euler-Bernoulli and Reddy beam theories, in conjunction with higher-order tube theory and Hamilton's principle, nonlocal governing equations are derived with precise boundary conditions for both local and nonlocal behaviors. The study specifically examines two-dimensional functionally graded materials (2D-FGM), characterized by axially functionally graded (AFG) and radial porosity distributions. The resulting partial differential equations are solved using the generalized differential quadrature element method (GDQEM) and Newmark-beta procedures to acquire time-dependent results. This investigation underscores the significant influence of boundary conditions when nonlocal forces act on cantilever structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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