Stress and displacement fields for a propagating crack in a functionally gradient material (FGM) which has exponentially varying elastic and physical properties along the direction of the crack propagation, are derived. The equations of motion in nonhomogeneous material are developed using displacement potentials. The solutions to the displacement fields and the stress fields for a crack propagating at constant speed along the gradient are obtained through an asymptotic analysis. The influences of nonhomogeneity on the higher order terms of the stress fields are explicitly brought out. Using these stress components, isochromatic fringes around the stationary crack are generated at crack for different nonhomogeneity and the effects of nohonhomgeneity on these fringes are discussed.
Aman, Garg;Mohamed-Ouejdi, Belarbi;Li, Li;Hanuman D., Chalak;Abdelouahed, Tounsi
Structural Engineering and Mechanics
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제85권2호
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pp.217-231
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2023
The bending analysis of sandwich functionally graded (FG) beams under temperature circumstances is performed in this article utilizing Navier's solution-based parabolic shear deformation theory. For the first time, a comparative study has been carried out between the exponential and sigmoidal sandwich FGM beams under thermal conditions. During this investigation, temperature-dependent material characteristics are postulated. Both symmetric and unsymmetric sandwich examples have been studied. The effect of gradation law, gradation coefficient, and thickness scheme on beam behavior has been thoroughly investigated. Three possible temperature combinations at the top and bottom surfaces of the beam are also investigated. Beams with a higher proportion of ceramic to metal are shown to be more resistant to thermal stresses than beams with a higher proportion of metal.
Abdulrazzaq, Mohammed Abdulraoof;Fenjan, Raad M.;Ahmed, Ridha A.;Faleh, Nadhim M.
Steel and Composite Structures
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제35권1호
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pp.147-157
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2020
In the present research, thermo-elastic buckling of small scale functionally graded material (FGM) nano-size plates with clamped edge conditions rested on an elastic substrate exposed to uniformly, linearly and non-linearly temperature distributions has been investigated employing a secant function based refined theory. Material properties of the FGM nano-size plate have exponential gradation across the plate thickness. Using Hamilton's rule and non-local elasticity of Eringen, the non-local governing equations have been stablished in the context of refined four-unknown plate theory and then solved via an analytical method which captures clamped boundary conditions. Buckling results are provided to show the effects of different thermal loadings, non-locality, gradient index, shear deformation, aspect and length-to-thickness ratios on critical buckling temperature of clamped exponential graded nano-size plates.
Stress and displacement fields of a Mode III crack propagating along the normal to gradient in an orthotropic functionally gradient materials (OFGM), which has (1) an exponential variation of shear modulus and density, and (2) linear variation of shear modulus with a constant density, are derived. The equations of motion in OFGM are developed and solution to the displacement and stress fields for a propagating crack at constant speed though an asymptotic analysis. The first three terms in expansion of stress and displacement are derived to explicitly bring out the influence of nonhomogeneity. When the FGM constant ${\zeta}$ is zero or $r{\rightarrow}0$, the fields for OFGM are almost same as the those for homogeneous orthotropic material. Using the stress components, the effects of nonhomogeneity on stress components are discussed.
This paper aims to fill the technical gap on the elastic buckling behavior of functionally graded material (FGM) grid systems under inplane loads on which few research has been done. Material properties of an FG beam are assumed to vary smoothly in the thickness direction according to power and exponential laws. Based on a hybrid-stress finite element formulation, buckling solutions for FGM grid systems consisting of various aspect ratios and material gradation are provided. The numerical results demonstrate that the aspect ratio and material gradation play an important role in the buckling behavior of FGM grid systems. We believe that the new results obtained from this study, will be very useful to designers and researchers in this field.
Alaa A. Abdelrahman;Mohamed Ashry;Amal E. Alshorbagy;Mohamed A. Eltaher;Waleed S. Abdalla
Steel and Composite Structures
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제53권2호
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pp.169-194
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2024
Although the excellent characteristics of functionally graded materials (FGMs) cracks could be found due to manufacturing defects or extreme working conditions. The existence of these cracks may threaten the material or structural strength, reliability, and lifetime. Due to high cost and restrictions offered by practical operational features these cracked components couldn't be replaced immediately. Such circumstances lead to the requirement of assessing the dynamic performance of cracked functionally graded structural components especially under moving objects. The present study aims to comprehensively investigate the dynamic behavior of functionally graded cracked Timoshenko beams (FGCTBs) resting on Winkler foundation and subjected to moving load through shear locking free finite elements methodology. The through thickness material distribution is simulated by the exponential gradation law. The geometric discontinuity due to cracks is represented using the massless rotational spring approach. The shear locking phenomena is avoided by using the different interpolation functions orders for both deflections and rotations. Based on Timoshenko beam element, a shear locking free finite elements methodology is developed. The unconditionally stable Newmark procedure is employed to solve the forced vibration problem. Accuracy of the developed procedure is verified by comparing the obtained results with the available results and an excellent agreement is found. Parametric studies are conducted to explore effects of the geometrical, material characteristics, crack geometrical characteristics, the elastic foundation parameter, and the moving load speed on the dynamic behavior for different boundary conditions. Obtained results revealed the significant effect these parameters on the dynamic performance of FGCTBs.
The present study proposes a theoretical and numerical investigation on the dynamic response behaviour of a functional graded (FG) ceramic-metal tapered rotor shaft system, by the differential quadrature finite elements method (DQFEM) to identify the natural frequencies for modelling and analysis of the structure with suitable validations. The purpose of this paper is to explore the influence of heat gradients on the natural frequency of rotation of FG shafts via three-dimensional solid elements, as well as a theoretical examination using the Timoshenko beam mode, which took into account the gyroscopic effect and rotational inertia. The functionally graded material's distribution is described by two distribution laws: the power law and the exponential law. To simulate varied thermal conditions, radial temperature distributions are obtained using the nonlinear temperature distribution (NLTD) and exponential temperature distribution (ETD) approaches. This work deals with the results of the effect on the fundamental frequencies of different material's laws gradation and temperature gradients distributions. Attempts are conducted to identify adequate explanations for the behaviours based on material characteristics. The effect of taper angle and material distribution on the dynamic behaviour of the FG conical rotor system is discussed.
Stress and displacement fields of a propagating Mode III crack in an orthotropic functionally gradient material (OFGM), which has (1) linear variation of shear modulus with a constant density, and (2) an exponential variation of shear modulus and density, are derived. The equations of motion in OFGM are developed and solution to the displacement and stress fields fer a propagating crack at constant speed though an asymptotic analysis. The stress terms associated with $\gamma^{-1/2}\;and\;\gamma^{0}$ are not affected by the FGM constant $\zeta$ which is nonhomogeneous parameter, only on the higher order terms, the influences of nonhomogeneity on the stress are explicitly brought out. When the FGM constant $\zeta\;is\;zero\;or\;\gamma{\rightarrow}0$, the fields for OFGM are almost same as the those for homogeneous orthotropic material. Using the stress components, the effects of nonhomogeneity on stress components are discussed.
Clayey paddy soils should be mixed with other good coarse soils to be used as a material for the lining, or, embankment. However, it has been difficult to separate soil particles from each other because of the internal cohesion in the soil gradation(separation) characteristics of the fine soil were investigated by various laboratory tests including the slaking durability test. Degradation rate of the soil were dependent upon the clay content and the initial water content before the submergence. The amount of degradations decreased as initial water content increased with exponential functions. The dried specimens separated into the particles after 24 hours of the submergence and specimens which water contents were less than 10% also separated into the particles after 2, or 3 days of the submergence. Compaction curves and the unconfined strength were not varied before and after the submergence. However, unconfined strength decreased as water content increased.
The dynamic response of a cracked functionally graded piezoelectric material (FGPM) under transient anti-plane shear mechanical and in-plane electrical loads is investigated in the present paper. It is assumed that the electroelastic material properties of the FGPM vary smoothly in the form of an exponential function along the thickness of the strip. The analysis is conducted on the basis of the unified (or natural) crack boundary condition which is related to the ellipsoidal crack parameters. By using the Laplace and Fourier transforms, the problem is reduced to the solutions of Fredholm integral equations of the second kind. Numerical results for the stress intensity factor and crack sliding displacement are presented to show the influences of the elliptic crack parameters, the electric field, FGPM gradation, crack length, and electromechanical coupling coefficient.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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