Artificial neural networks (ANNs) are known as intelligent methods for modeling the behavior of physical phenomena because of it is a soft computing technique and takes data samples rather than entire data sets to arrive at solutions, which saves both time and money. ANN is successfully used in the civil engineering applications which are suitable examining the complicated relations between variables. Functionally graded materials (FGMs) are advanced composites that successfully used in various engineering design. The FGMs are nonhomogeneous materials and made of two different type of materials. In the present study, the bending analysis of functionally graded material (FGM) beams presents on theoretical based on combination of mixed-finite element method, Gâteaux differential and Timoshenko beam theory. The main idea in this study is to build a model using ANN with four parameters that are: Young's modulus ratio (Et/Eb), a shear correction factor (ks), power-law exponent (n) and length to thickness ratio (L/h). The output data is the maximum displacement (w). In the experiments: 252 different data are used. The proposed ANN model is evaluated by the correlation of the coefficient (R), MAE and MSE statistical methods. The ANN model is very good and the maximum displacement can be predicted in ANN without attempting any experiments.
This paper presents the dynamic instability analysis of un-damped elastically supported piezoelectric functionally graded (FG) beams subjected to in-plane static and dynamic periodic thermomechanical loadings with uncertain system properties. The elastic foundation model is assumed as one parameter Pasternak foundation with Winkler cubic nonlinearity. The piezoelectric FG beam is subjected to non-uniform temperature distribution with temperature dependent material properties. The Young's modulus and Poison's ratio of ceramic, metal and piezoelectric, density of respective ceramic and metal, volume fraction exponent and foundation parameters are taken as uncertain system properties. The basic nonlinear formulation of the beam is based on higher order shear deformation theory (HSDT) with von-Karman strain kinematics. The governing deterministic static and dynamic random instability equation and regions is solved by Bolotin's approach with Newmark's time integration method combined with first order perturbation technique (FOPT). Typical numerical results in terms of the mean and standard deviation of dynamic instability analysis are presented to examine the effect of slenderness ratios, volume fraction exponents, foundation parameters, amplitude ratios, temperature increments and position of piezoelectric layers by changing the random system properties. The correctness of the present stochastic model is examined by comparing the results with direct Monte Caro simulation (MCS).
In engineering structures, to having the projected structure to serve all the engineering purposes, the theory to be used during the modeling stage is also of great importance. In the present work, an analytical solution of the free vibration of the beam composed of functionally graded materials (FGMs) is presented utilizing different beam theories. The comparison of supposed beam theory for free vibration of functionally graded (FG) beam is examined. For this aim, Euler-Bernoulli, Rayleigh, Shear, and Timoshenko beam theories are employed. The functionally graded material properties are assumed to vary continuously through the thickness direction of the beam with respect to the volume fraction of constituents. The governing equations of free vibration of FG beams are derived in the frameworks of four beam theories. Resulting equations are solved versus simply supported boundary conditions, analytically. To verify the results, comparisons are carried out with the available results. Parametrical studies are performed for discussing the effects of supposed beam theory, the variation of beam characteristics, and FGM properties on the free vibration of beams. In conclusion, it is found that the interaction between FGM properties and the supposed beam theory is of significance in terms of free vibration of the beams and that different beam theories need to be used depending on the characteristics of the beam in question.
Fortas, Lahcene;Messai, Abderraouf;Merzouki, Tarek;Houari, Mohammed Sid Ahmed
Steel and Composite Structures
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제43권1호
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pp.31-54
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2022
This paper is concerned with the buckling behavior of functionally graded graphene reinforced porous nanocomposite beams based on the finite element method (FEM) using two variables trigonometric shear deformation theory. Both Young's modulus and material density of the FGP beam element are simultaneously considered as grading through the thickness of the beam. The finite element approach is developed using a nonlocal strain gradient theory. The governing equations derived here are solved introducing a 3-nodes beam element, and then the critical buckling load is calculated with different porosity distributions and GPL dispersion patterns. After a convergence and validation study to verify the accuracy of the present model, a comprehensive parametric study is carried out, with a particular focus on the effects of weight fraction, distribution pattern of GPL reinforcements on the Buckling behavior of the nanocomposite beam. The effects of various structural parameters such as the dispersion patterns for the graphene and porosity, thickness ratio, boundary conditions, and nonlocal and strain gradient parameters are brought out. The results indicate that porosity distribution and GPL pattern have significant effects on the response of the nanocomposite beams, and the results allows to identify the most effective way to achieve improved buckling behavior of the porous nanocomposite beam.
This work presents a free vibration analysis of functionally graded metal-ceramic (FG) beams with considering porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication. For this purpose, a simple displacement field based on higher order shear deformation theory is implemented. The proposed theory is based on the assumption that the transverse displacements consist of bending and shear components in which the bending components do not contribute toward shear forces and, likewise, the shear components do not contribute toward bending moments. The most interesting feature of this theory is that it accounts for a quadratic variation of the transverse shear strains across the thickness, and satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam without using shear correction factors. In addition, it has strong similarities with Euler-Bernoulli beam theory in some aspects such as equations of motion, boundary conditions, and stress resultant expressions. The rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the FG beams with porosity phases. By employing the Hamilton's principle, governing equations of motion for coupled axial-shear-flexural response are determined. The validity of the present theory is investigated by comparing some of the present results with those of the first-order and the other higher-order theories reported in the literature. Illustrative examples are given also to show the effects of varying gradients, porosity volume fraction, aspect ratios, and thickness to length ratios on the free vibration of the FG beams.
In this work we introduce a higher-order hyperbolic shear deformation model for bending and frees vibration analysis of functionally graded beams. In this theory and by making a further supposition, the axial displacement accounts for a refined hyperbolic distribution, and the transverse shear stress satisfies the traction-free boundary conditions on the beam boundary surfaces, so no need of any shear correction factors (SCFs). The material properties are continuously varied through the beam thickness by the power-law distribution of the volume fraction of the constituents. Based on the present refined hyperbolic shear deformation beam model, the governing equations of motion are obtained from the Hamilton's principle. Analytical solutions for simply-supported beams are developed to solve the problem. To verify the precision and validity of the present theory some numerical results are compared with the existing ones in the literature and a good agreement is showed.
Hadi, Amin;Nejad, Mohammad Zamani;Rastgoo, Abbas;Hosseini, Mohammad
Steel and Composite Structures
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제26권6호
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pp.663-672
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2018
This paper contains a consistent couple-stress theory to capture size effects in Euler-Bernoulli nano-beams made of three-directional functionally graded materials (TDFGMs). These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. In this theory, the couple-stress tensor is skew-symmetric and energy conjugate to the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor. The material properties except Poisson's ratio are assumed to be graded in all three axial, thickness and width directions, which it can vary according to an arbitrary function. The governing equations are obtained using the concept of minimum potential energy. Generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the natural frequencies of TDFG nano-beam. At the end, some numerical results are performed to investigate some effective parameter on buckling load. In this theory the couple-stress tensor is skew-symmetric and energy conjugate to the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor.
In this paper, thermal vibration behavior of nanoscale beams made of functionally graded (FG) materials subjected to various types of thermal loading are investigated. A Reddy shear deformation beam theory which captures both the microstructural and shear deformation effects without the need for any shear correction factors is employed. Material properties of FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary gradually along the thickness according to the power-law form. The influence of small scale is captured based on nonlocal elasticity theory of Eringen. The nonlocal equations of motion are derived through Hamilton's principle and they are solved applying analytical solution. The comparison of the obtained results is conducted with those of nonlocal Euler-Bernoulli beam theory and it is demonstrated that the proposed modeling predict correctly the vibration responses of FG nanobeams. The effects of nonlocal parameter, material graduation, mode number, slenderness ratio and thermal loading on vibration behavior of the nanobeams are studied in detail.
This paper presents an efficient higher-order nonlocal beam theory for the Critical buckling, of functionally graded (FG) nanobeams with porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FG) during their fabrication, the nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen. The material properties of (FG) nanobeams with porosities are assumed to vary through the thickness according to a power law. The governing equations of the functionally graded nanobeams with porosities are derived by employing Hamilton's principle. Analytical solutions are presented for a simply supported FG nanobeam with porosities. The validity of this theory is studied by comparing some of the present results with other higher-order theories reported in the literature, Illustrative examples are given also to show the effects of porosity volume fraction, and thickness to length ratios on the critical buckling of the FG beams.
In this article, static deflection and buckling of functionally graded (FG) nanoscale beams made of porous material are carried out based on the nonlocal Timoshenko beam model which captures the small scale influences. The exact position of neutral axis is fixed, to eliminate the stretching and bending coupling due to the unsymmetrical material change along the FG nanobeams thickness. The material properties of FG beam are graded through the thickness on the basis of the power-law form, which is modified to approximate the material properties with two models of porosity phases. By employing Hamilton's principle, the nonlocal governing equations of FG nanobeams are obtained and solved analytically for simply-supported boundary conditions via the Navier-type procedure. Numerical results for deflection and buckling of FG nanoscale beams are presented and validated with those existing in the literature. The influences of small scale parameter, power law index, porosity distribution and slenderness ratio on the static and stability responses of the FG nanobeams are all explored.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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