Geometrically nonlinear analysis of planar beam and frame structures made of functionally graded material (FGM) by using the finite element method is presented. The material property of the structures is assumed to be graded in the thickness direction by a power law distribution. A nonlinear beam element based on Bernoulli beam theory, taking the shift of the neutral axis position into account, is formulated in the context of the co-rotational formulation. The nonlinear equilibrium equations are solved by using the incremental/iterative procedure in a combination with the arc-length control method. Numerical examples show that the formulated element is capable to give accurate results by using just several elements. The influence of the material inhomogeneity in the geometrically nonlinear behavior of the FGM beam and frame structures is examined and highlighted.
Critical thermal buckling of functionally graded porous (FGP) sandwich plates under various types of thermal loading is considered. It is assumed that the mechanical and thermal nonhomogeneous properties of FGP sandwich plate vary smoothly by distribution of power law across the thickness of sandwich plate. In this paper, porosity defects are modeled as stiffness reduction criteria and included in the rule of mixture. The thermal environments are considered as uniform, linear and nonlinear temperature rises. The critical buckling temperature response of FGM sandwich plates has been analyzed under various boundary conditions. By comparing several numerical examples with the reference solutions, the results indicate that the present analysis has good accuracy and rapid convergence. Further, the effects of various parameters like distribution shape of porosity, sandwich combinations, aspect ratio, thickness ratio, boundary conditions on critical buckling temperature of FGP sandwich plate have been studied in this paper.
Nadia Alavi;Mohammad Zamani Nejad;Amin Hadi;Anahita Nikeghbalyan
Steel and Composite Structures
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v.51
no.4
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pp.377-389
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2024
In the present study, thermoelsatoplastic stresses and displacement for rotating hollow disks made of functionally graded materials (FGMs) has been investigated. The linear elastic-fully plastic condition is considered. The material properties except Poisson's ratio are assumed to vary in the radial direction as a power-law function. The heat conduction equation for the one-dimensional problem in cylindrical coordinates is used to obtain temperature distribution in the disk. The plastic model is based on the Tresca yield criterion and its associated flow rules under the assumption of perfectly plastic material behavior. Exact solutions of field equations for elastic and plastic deformations are obtained. It is shown that the elastoplastic response of the functionally graded (FG) disk is affected notably by the radial variation of material properties. It is also shown that, depending on material properties and disk dimensions, different modes of plastic deformation may occur.
Benferhat, R.;Hassaine Daouadji, T.;Hadji, L.;Said Mansour, M.
Steel and Composite Structures
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v.21
no.1
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pp.123-136
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2016
This work focuses on the behavior of the static analysis of functionally graded plates materials (FGMs) with porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication. For this purpose a new refined plate theory is used in this work, it contains only four unknowns, unlike five unknowns for other theories. This new model meets the nullity of the transverse shear stress at the upper and lower surfaces of the plate. The parabolic distribution of transverse shear stresses along the thickness of the plate is taken into account in this analysis; the material properties of the FGM plate vary a power law distribution in terms of volume fraction of the constituents. The rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the FG plates with porosity phases. The validity of this theory is studied by comparing some of the present results with other higher-order theories reported in the literature, the influence of material parameter, the volume fraction of porosity and the thickness ratio on the behavior mechanical P-FGM plate are represented by numerical examples.
This paper presents a finite element procedure for dynamic analysis of non-uniform Timoshenko beams made of axially Functionally Graded Material (FGM) under multiple moving point loads. The material properties are assumed to vary continuously in the longitudinal direction according to a predefined power law equation. A beam element, taking the effects of shear deformation and cross-sectional variation into account, is formulated by using exact polynomials derived from the governing differential equations of a uniform homogenous Timoshenko beam element. The dynamic responses of the beams are computed by using the implicit Newmark method. The numerical results show that the dynamic characteristics of the beams are greatly influenced by the number of moving point loads. The effects of the distance between the loads, material non-homogeneity, section profiles as well as aspect ratio on the dynamic responses of the beams are also investigated in detail and highlighted.
Chikh, Abdelbaki;Bakora, Ahmed;Heireche, Houari;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Bedia, E.A. Adda
Structural Engineering and Mechanics
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v.57
no.4
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pp.617-639
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2016
In this work, an analytical formulation based on both hyperbolic shear deformation theory and stress function, is presented to study the nonlinear post-buckling response of symmetric functionally graded plates supported by elastic foundations and subjected to in-plane compressive, thermal and thermo-mechanical loads. Elastic properties of material are based on sigmoid power law and varying across the thickness of the plate (S-FGM). In the present formulation, Von Karman nonlinearity and initial geometrical imperfection of plate are also taken into account. By utilizing Galerkin procedure, closed-form expressions of buckling loads and post-buckling equilibrium paths for simply supported plates are obtained. The effects of different parameters such as material and geometrical characteristics, temperature, boundary conditions, foundation stiffness and imperfection on the mechanical and thermal buckling and post-buckling loading capacity of the S-FGM plates are investigated.
This article presents the bending analysis of FGM rectangular plates resting on non-uniform elastic foundations in thermal environment. Theoretical formulations are based on a recently developed refined shear deformation theory. The displacement field of the present theory is chosen based on nonlinear variations in the in-plane displacements through the thickness of the plate. The present theory satisfies the free transverse shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factor. Unlike the conventional trigonometric shear deformation theory, the present refined shear deformation theory contains only four unknowns as against five in case of other shear deformation theories. The material properties of the functionally graded plates are assumed to vary continuously through the thickness, according to a simple power law distribution of the volume fraction of the constituents. The elastic foundation is modeled as non-uniform foundation. The results of the shear deformation theories are compared together. Numerical examples cover the effects of the gradient index, plate aspect ratio, side-to-thickness ratio and elastic foundation parameters on the thermo-mechanical behavior of functionally graded plates. Numerical results show that the present theory can archive accuracy comparable to the existing higher order shear deformation theories that contain more number of unknowns.
This paper is a continuation of the investigations started in the paper by Akbarov, S.D., Guliyev, H.H and Yahnioglu, N. (2016) "Natural vibration of the three-layered solid sphere with middle layer made of FGM: three-dimensional approach", Structural Engineering and Mechanics, 57(2), 239-263, to the case where the three-layered sphere is a hollow one. Three-dimensional exact field equations of elastodynamics are employed for investigation and the discrete-analytical method is employed for solution of the corresponding eigenvalue problem. The FGM is modelled as inhomogeneous for which the modulus of elasticity, Poison's ratio and density vary continuously through the inward radial direction according to power law distribution. Numerical results on the natural frequencies are presented and discussed. These results are also compared with the corresponding ones obtained in the previous paper by the authors. In particular, it is established that for certain harmonics and for roots of certain order, the values of the natural frequency obtained for the hollow sphere can be greater (or less) than those obtained for the solid sphere.
In the current investigation, large amplitude free vibration behavior of shallow curved pipes (tubes) made of functionally graded materials is investigated. Properties of the tube are distributed across the radius of the tube and are obtained by means of a power law function. It is also assumed that all thermo-mechanical properties are temperature dependent. The governing equations of the tube are obtained using a higher order shear deformation tube theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the tube. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large displacements and small strains. Uniform temperature elevation of the tube is also included into the formulation. For the case of tubes which are simply supported in flexure and axially immovable, the governing equations are solved using the two-step perturbation technique. Closed form expressions are provided to obtain the small and large amplitude fundamental natural frequencies of the FGM shallow curved tubes in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of thermal environment, radius ratio, and length to thickness ratio of the tube on the fundamental linear and non-linear frequencies.
In this paper, the classical and non-classical boundary conditions effect on free vibration characteristics of functionally graded (FG) size-dependent nanobeams are investigated by presenting a semi analytical differential transform method (DTM) for the first time. Three kinds of mathematical models, namely; power law (P-FGM), sigmoid (S-FGM) and Mori-Tanaka (MT-FGM) distribution are considered to describe the material properties in the thickness direction. The nonlocal Eringen theory takes into account the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanosensors and nanoactuators. Governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi analytical differential transform method. The good agreement between the results of this article and those available in literature validated the presented approach. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as small scale effects, spring constant factors, various material compositions and mode number on the normalized natural frequencies of the FG nanobeams in detail. It is explicitly shown that the vibration of FG nanobeams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FG nanobeams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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