The present study conducts a thorough analysis of thermal vibrations in functionally graded porous nanocomposite beams within a thermal setting. Investigating the temperature-dependent material properties of these beams, which continuously vary across their thickness in accordance with a power-law function, a finite element approach is developed. This approach utilizes a nonlocal strain gradient theory and accounts for a linear temperature rise. The analysis employs four different patterns of porosity distribution to characterize the functionally graded porous materials. A novel two-variable shear deformation beam nonlocal strain gradient theory, based on trigonometric functions, is introduced to examine the combined effects of nonlocal stress and strain gradient on these beams. The derived governing equations are solved through a 3-nodes beam element. A comprehensive parametric study delves into the influence of structural parameters, such as thicknessratio, beam length, nonlocal scale parameter, and strain gradient parameter. Furthermore, the study explores the impact of thermal effects, porosity distribution forms, and material distribution profiles on the free vibration of temperature-dependent FG nanobeams. The results reveal the substantial influence of these effects on the vibration behavior of functionally graded nanobeams under thermal conditions. This research presents a finite element approach to examine the thermo-mechanical behavior of nonlocal temperature-dependent FG nanobeams, filling the gap where analytical results are unavailable.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.2
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pp.119-129
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2004
A three dimensional (3D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of thick, circular and annular plates with nonlinear thickness variation along the radial direction. Unlike conventional plate theories, which are mathematically two dimensional (2D), the present method is based upon the 3D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sub s/, u/sub z/, and u/sub θ/ in the radial, thickness, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the s and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the plates are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the plates. Numerical results we presented for completely free, annular and circular plates with uniform linear, and quadratic variations in thickness. Comparisons are also made between results obtained from the present 3D and previously published thin plate (2D) data.
In this paper, a higher order shear and normal deformation theory is presented for functionally graded material (FGM) plates. By dividing the transverse displacement into bending, shear and thickness stretching parts, the number of unknowns and governing equations for the present theory is reduced, significantly facilitating engineering analysis. Indeed, the number of unknown functions involved in the present theory is only five, as opposed to six or even greater numbers in the case of other shear and normal deformation theories. The present theory accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by a hyperbolic variation of ail displacements across the thickness and satisfies the stress-free boundary conditions on the upper and lower surfaces of the plate without requiring any shear correction factor. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions for the bending and free vibration analysis are obtained for simply supported plates. The obtained results are compared with three-dimensional and quasi- three-dimensional solutions and those predicted by other plate theories. It can be concluded that the present theory is not only accurate but also simple in predicting the bending and free vibration responses of functionally graded plates.
Ground vibration is one of the remarkable issues in tunnel blasting. In recent studies, to improve the fragmentation with reduction of ground vibration in tunnel blasting, a vibration-controlled blasting method with artificial cutting slot near the center-cut holes has been suggested. This study examines the effect of the different arrangement of artificial cut-slot on the vibration reduction and fragmentation by performing the full-scaled concrete block blast experiments and the numerical simulations with 3D-DFPA. The results show that the existence of artificial slot contributes to the improvement of vibration reduction, blast fragmentation and the efficiency of the cutting slot blast. It can be explained that the artificial slot play a free surface role and should decrease the burden between the cut holes. Crater volumes of the blasted concrete blocks were measured by 3-dimensional digital image analysis and compared with the ideal standard crater volume which can be calculated by theoretical standard blast design method. As a result, the ratio of burden and hole diameter which should achieve the standard crater in the cut-hole blasting were suggested.
Bouafia, Khadra;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Benzair, Abdelnour;Tounsi, Abdelouahed
Smart Structures and Systems
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v.19
no.2
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pp.115-126
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2017
In this paper, size dependent bending and free flexural vibration behaviors of functionally graded (FG) nanobeams are investigated using a nonlocal quasi-3D theory in which both shear deformation and thickness stretching effects are introduced. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present theory incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a hyperbolic variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FG nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The neutral surface position for such FG nanobeams is determined and the present theory based on exact neutral surface position is employed here. The governing equations are derived using the principal of minimum total potential energy. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and dynamic responses of the FG nanobeam are discussed in detail. A detailed numerical study is carried out to examine the effect of material gradient index, the nonlocal parameter, the beam aspect ratio on the global response of the FG nanobeam. These findings are important in mechanical design considerations of devices that use carbon nanotubes.
This paper presents an analysis of the bending, buckling and free vibration of functionally graded sandwich beams resting on elastic foundation by using a refined quasi-3D theory in which both shear deformation and thickness stretching effects are included. The displacement field contains only three unknowns, which is less than the number of parameters of many other shear deformation theories. In order to homogenize the micromechanical properties of the FGM sandwich beam, the material properties are derived on the basis of several micromechanical models such as Tamura, Voigt, Reuss and many others. The principle of virtual works is used to obtain the equilibrium equations. The elastic foundation is modeled using the Pasternak mathematical model. The governing equations are obtained through the Hamilton's principle and then are solved via Navier solution for the simply supported beam. The accuracy of the proposed theory can be noticed by comparing it with other 3D solution available in the literature. A detailed parametric study is presented to show the influence of the micromechanical models on the general behavior of FG sandwich beams on elastic foundation.
A free vibration analysis and wave propagation of triclinic and orthotropic plate has been presented in this work using an efficient quasi 3D shear deformation theory. The novelty of this paper is to introducing this theory to minimize the number of unknowns which is three; instead four in other researches, to studying bulk waves in anisotropic plates, other than it can model plates with great thickness ratio, also. Another advantage of this theory is to permits us to show the effect of both bending and shear components and this is carried out by dividing the transverse displacement into the bending and shear parts. Hamilton's equations are a very potent formulation of the equations of analytic mechanics; it is used for the development of wave propagation equations in the anisotropic plates. The analytical dispersion relationship of this type of plate is obtained by solving an eigenvalue problem. The accuracy of the present model is verified by confronting our results with those available in open literature for anisotropic plates. Moreover Numerical examples are given to show the effects of wave number and thickness on free vibration and wave propagation in anisotropic plates.
Pankaj S. Ghatage;P. Edwin Sudhagar;Vishesh R. Kar
Geomechanics and Engineering
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v.35
no.4
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pp.367-383
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2023
The present paper examines the natural frequency responses of the bi-directional (nx-ny, ny-nz and nz-nx) and multidirectional (nx-ny-nz) functionally graded (FG) plate and curved structures with and without porosity. The even and uneven kind of porosity pattern are considered to observe the influence of porosity type and porosity index. The numerical findings have been obtained using a higher order shear deformation theory (HSDT) based isometric finite element (FE) approach generated in a MATLAB platform. According to the convergence and validation investigation, the proposed HSDT based FE model is adequate to predict free vibrational responses of multidirectional porous FG plates and curved structures. Further a parametric analysis is carried out by taking various design parameters into account. The free vibrational behavior of bidirectional (2D) and multidirectional (3D) perfect-imperfect FGM structure is examined against various power law index, support conditions, aspect, and thickness ratio, and for the curvature of curved structures. The results indicate that the maximum non-dimensional fundamental frequency (NFF) value is observed in perfect FGM plates and curved structures compared to porous FGM plates and curved structures and it is maximum for FGM plates and curved structures with uneven kind of porosity than even porosity.
Sadoune, Mohamed;Tounsi, Abdelouahed;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Adda Bedia, El Abbes
Steel and Composite Structures
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v.17
no.3
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pp.321-338
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2014
In the present study, a new simple first-order shear deformation theory is presented for laminated composite plates. Moreover, the number of unknowns of this theory is the least one comparing with the traditional first-order and the other higher-order shear deformation theories. Equations of motion and boundary conditions are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions of simply supported antisymmetric cross-ply and angle-ply laminates are obtained and the results are compared with the exact three-dimensional (3D) solutions and those predicted by existing theories. It can be concluded that the proposed theory is accurate and simple in solving the static bending and free vibration behaviors of laminated composite plates.
A shear-deformable finite element model (FEM) with five nodes and thirteen degrees of freedom (DOFs) for free vibrations of laminated composite beams with arbitrary lay-up is presented. This model can be capable of considering the elastic couplings among the extensional, bending and torsional deformations, and the Poisson's effect. Lagrange's principle is employed in derivation of the equations of motion, and thus the element matrices are obtained. Comparisons of the present element's results with those in experiment, available literature and the 3D finite element analysis software (ANSYS(R)) are made to show its accuracy. Some further results are given as referencing for the future studies in vibrations of laminated composite beamst.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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