This article provides a comprehensive treatment of cracks in non-homogeneous structural materials such as functionally graded materials (FGMs). It is assumed that the material properties depend only on the coordinate perpendicular to the crack surfaces and vary continuously along the crack faces. By using laminated composite plate model to simulate the material non-homogeneity, we present an algorithm for solving the system based on Laplace transform and Fourier transform techniques. Unlike earlier studies that considered certain assumed property distributions and a single crack problem, the current investigation studies multiple crack problem in the FGMs with arbitrarily varying material properties. As a numerical illustration, transient thermal flow intensity factors for a metal-ceramic joint specimen with a functionally graded interlayer subjected to sudden heating on its boundary are presented. The results obtained demonstrate that the present model is an efficient tool in the fracture analysis of non-homogeneous material with properties varying in the thickness direction.
Ashish K. Singh;Anwesha Pal;Shashi Kumar;Anuja Roy;Atanu Sahu
Structural Engineering and Mechanics
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제89권5호
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pp.437-452
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2024
Functionally graded materials (FGMs) have gained substantial attention from researchers due to their exceptional strength and thermal resistance. Their utilization in the aviation and automobile industries has significantly improved the efficiency of various structural components. Moreover, stiffened panels find wide applications in aerospace and automobile structures and these panels are frequently exposed to extreme environments. It is from this perspective that our research is focused on analysing the vibroacoustic response of stiffened functionally graded panels subjected to external dynamic excitations in a thermal environment. In the present research work, a finite element model is developed to conduct the dynamic analysis of functionally graded stiffened panels using the first-order shear deformation theory. Subsequently, a boundary element based model is also developed and coupled with the finite element model to investigate the sound radiation behaviour of those panels in a thermal environment. The material properties of FG stiffened panels are considered as temperature dependent, while the thermal environment is assumed to be acting as linearly varying through the panel's thickness. The present investigation aim to compare the vibroacoustic responses of different panels due to stiffener orientations, material compositions, power law indices and plate thicknesses at various temperatures. The research findings highlight the significant impact of addition of stiffeners, its orientation and material compositions on the sound radiation characteristics of these panels under thermal environments. The present numerical model can easily be employed for analysing the sound radiation behaviour of other types of flat or curved stiffened panels having arbitrary geometry and boundary conditions.
An investigation is made in the present work on the post-buckling and geometrically nonlinear behaviors of moderately thick perfect and imperfect rectangular plates made-up of functionally graded materials. Spectral collocation approach based on Legendre basis functions is developed to analyze the functionally graded plates while they are subjected to end-shortening strain. The material properties in this study are varied through the thickness according to the simple power law distribution. The fundamental equations for moderately thick rectangular plates are derived using first order shear deformation plate theory and taking into account both geometric nonlinearity and initial geometric imperfections. In the current study, the domain of interest is discretized with Legendre-Gauss-Lobatto nodes. The equilibrium equations will be obtained by discretizing the Von-Karman's equilibrium equations and also boundary conditions with finite Legendre basis functions that are substituted into the displacement fields. Due to effect of geometric nonlinearity, the final set of equilibrium equations is nonlinear and therefore the quadratic extrapolation technique is used to solve them. Since the number of equations in this approach will always be more than the number of unknown coefficients, the least squares technique will be used. Finally, the effects of boundary conditions, initial geometric imperfection and material properties are investigated and discussed to demonstrate the validity and capability of proposed method.
In this work, transient heat transfer analysis of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced nanocomposite (CNTRC) cylinders with various essential and natural boundary conditions is investigated by a mesh-free method. The cylinders are subjected to thermal flux, convection environments and constant temperature faces. The material properties of the nanocomposite are estimated by an extended micro mechanical model in volume fraction form. The distribution of carbon nanotube (CNT) has a linear variation along the radial direction of axisymmetric cylinder. In the mesh-free analysis, moving least squares shape functions are used for approximation of temperature field in the weak form of heat transform equation and the transformation method is used for the imposition of essential boundary conditions. Newmark method is applied for solution time depended problem. The effects of CNT distribution pattern and volume fraction, cylinder thickness and boundary conditions are investigated on the transient temperature field of the nanocomposite cylinders.
Belarbi, Mohamed-Ouejdi;Salami, Sattar Jedari;Garg, Aman;Hirane, Hicham;Amine, Daikh Ahmed;Houari, Mohammed Sid Ahmed
Steel and Composite Structures
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제44권4호
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pp.451-471
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2022
In the present paper, the static bending and buckling responses of functionally graded carbon nanotubes-reinforced composite (FG-CNTRC) beam under various boundary conditions are investigated within the framework of higher shear deformation theory. The significant feature of the proposed theory is that it provides an accurate parabolic distribution of transverse shear stress through the thickness satisfying the traction-free boundary conditions needless of any shear correction factor. Uniform (UD) and four graded distributions of CNTs which are FG-O, FG-X, FG- and FG-V are selected here for the analysis. The effective material properties of FG-CNTRC beams are estimated according to the rule of mixture. To model the FG-CNTRC beam realistically, an efficient Hermite-Lagrangian finite element formulation is successfully developed. The accuracy and efficiency of the present model are demonstrated by comparison with published benchmark results. Moreover, comprehensive numerical results are presented and discussed in detail to investigate the effects of CNTs volume fraction, distribution patterns of CNTs, boundary conditions, and length-to-thickness ratio on the bending and buckling responses of FG-CNTRC beam. Several new referential results are also reported for the first time which will serve as a benchmark for future studies in a similar direction. It is concluded that the FG-X-CNTRC beam is the strongest beam that carries the lowest central deflection and is followed by the UD, V, Λ, and FG-O-CNTRC beam. Besides, the critical buckling load belonging to the FG-X-CNTRC beam is the highest, followed by UD and FG-O.
Tao Hai;A. Yvaz;Mujahid Ali;Stanislav Strashnov;Mohamed Hechmi El Ouni;Mohammad Alkhedher;Arameh Eyvazian
Steel and Composite Structures
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제48권2호
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pp.191-206
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2023
The present research investigates how micromechanical models affect the behavior of Functionally Graded (FG) plates under different boundary conditions. The study employs diverse micromechanical models to assess the effective material properties of a two-phase particle composite featuring a volume fraction of particles that continuously varies throughout the thickness of the plate. Specifically, the research examines the vibrational response of the plate on a Winkler-Pasternak elastic foundation, considering different boundary conditions. To achieve this, the governing differential equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle, which is based on a four-variable shear deformation refined plate theory. Additionally, the Galerkin method is utilized to compute the plate's natural frequencies. The study explores how the plate's natural frequencies are influenced by various micromechanical models, such as Voigt, Reuss, Hashin-Shtrikman bounds, and Tamura, as well as factors such as boundary conditions, elastic foundation parameters, length-to-thickness ratio, and aspect ratio. The research results can provide valuable insights for future analyses of FG plates with different boundaries, utilizing different micromechanical models.
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.
In this paper thermo-mechanical vibration analysis of a porous functionally graded (FG) Timoshenko beam in thermal environment with various boundary conditions are performed by employing a semi analytical differential transform method (DTM) and presenting a Navier type solution method for the first time. The temperature-dependent material properties of FG beam are supposed to vary through thickness direction of the constituents according to the power-law distribution which is modified to approximate the material properties with the porosity phases. Also the porous material properties vary through the thickness of the beam with even and uneven distribution. Two types of thermal loadings, namely, uniform and linear temperature rises through thickness direction are considered. Derivation of equations is based on the Timoshenko beam theory in order to consider the effect of both shear deformation and rotary inertia. Hamilton's principle is applied to obtain the governing differential equation of motion and boundary conditions. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of several parameters such as porosity distributions, porosity volume fraction, thermal effect, boundary conditions and power-low exponent on the natural frequencies of the FG beams in detail. It is explicitly shown that the vibration behavior of porous FG beams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve benchmarks for future analyses of FG beams with porosity phases.
This paper deals with the free vibration behavior of rotating composite beams reinforced with carbon nanotubes (CNTs) under uniform thermal loads. The temperature-dependent beam material is assumed to be a mixture of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) in an isotropic matrix and five different functionally graded (FG) distributions of CNTs are considered according to the variation along the thickness, namely the UD-uniform, FG-O, FG-V, FG-Λ and FG-X distributions where FG-V and FG-Λ are unsymmetrical patterns. Considering the Timoshenko beam theory (TBT), a new finite element formulation of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FGCNTRC) beam is created for the first time. And the effects of several essential parameters including rotational speed, hub radius, effective material properties, slenderness ratio, boundary conditions, thermal force and moments due to temperature variation are considered in the formulation. By implementing different boundary conditions, some new results of both symmetric and non-symmetrical distribution patterns are presented in tables and figures to be used as benchmark for further validation. In addition, as an alternative advanced composite application for rotating systems exposed to thermal load, the positive effects of CNT addition in improving the dynamic performance of the system have been observed and the results are presented in several tables and figures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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