This paper investigates wave propagation in functionally graded carbon nano-reinforced composite (FG-CNTRC) plates under the influence of temperature based on Reddy' plate model. The material properties of Carbon Nanotubes (CNTs) are size-dependent, and the volume fraction of CNTs varies only along the thickness direction of the plate for different CNTs reinforcement modes. In addition, the material properties of CNTs can vary for different temperature parameters. By solving the eigenvalue problem, analytical dispersion relations can be derived for CNTRC plates. The partial differential equations for the system are derived from Lagrange's principle and higher order shear deformation theory is used to obtain the wave equations for the CNTRC plate. Numerical analyses show that the wave propagation properties in the CNTRC plate are related to the volume fraction parameters of the CNTRC plate and the distribution pattern of the CNTs in the polymer matrix. The effects of different volume fractions of CNTs and the distribution pattern of carbon nanotubes along the cross section (UD-O-X plate) are discussed in detail.
This paper analytically investigates the free vibration analysis of functionally graded-carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) plates by dynamic stiffness method (DSM). The properties of CNTRC are determined with the extended rule of mixture. The governing differential equations of motion based on the first-order shear deformation theory of CNTRC plate are derived using Hamilton's principle. The FG-CNTRC plates are studied for a uniform and two different distributions of carbon nanotubes (CNTs). The accuracy and performance of the DSM are compared with the results obtained from closed closed-form and semi-analytical solution methods in previous studies. In this study, the effects of boundary condition, distribution type of CNTs, plate aspect ratio, plate length to thickness ratio, and different values of CNTs volume fraction on the natural frequencies of the FG-CNTRC plates are investigated. Finally, various natural frequencies of the plates in different conditions are provided as a benchmark for comparing the accuracy and precision of the other analytical and numerical methods.
Purpose: This study investigates mechanical behavior of functionally graded (FG) carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) plate in flexure. Isogeometric analysis (IGA) method coupled with shear deformable theory of higher-order (HSDT) to analyze the nonlinear bending response is presented. Method: Shear deformable plate theory into which a polynomial shear shape function and the von Karman type geometric nonlinearity are incorporated is used to derive the nonlinear equations of equilibrium for FG-CNTRC plate in bending. The modified Newton-Raphson iteration is adopted to solve the system equations. Result: The dispersion pattern of carbon nanotubes, plate geometric parameter and boundary condition have significant effects on the nonlinear flexural behavior of FG-CNTRC plate. Conclusion: The proposed IGA method coupled with the HSDT can successfully predict the flexural behavior of FG-CNTRC plate.
This research is devoted to study post-buckling analysis of functionally graded carbon nanotubes reinforced composite (FG-CNTRC) micro plate with cut out subjected to magnetic field and resting on elastic medium. The basic formulation of plate is based on first order shear deformation theory (FSDT) and the material properties of FG-CNTRCs are presumed to be changed through the thickness direction, and are assumed based on rule of mixture; moreover, nonlocal Eringen's theory is applied to consider the size-dependent effect. It is considered that the system is embedded in elastic medium and subjected to longitudinal magnetic field. Energy approach, domain decomposition and Rayleigh-Ritz methods in conjunction with Newton-Raphson iterative technique are employed to trace the post-buckling paths of FG-CNTRC micro cut out plate. The influence of some important parameters such as small scale effect, cut out dimension, different types of FG distributions of CNTs, volume fraction of CNTs, aspect ratio of plate, magnitude of magnetic field, elastic medium and biaxial load on the post-buckling behavior of system are calculated. With respect to results, it is concluded that the aspect ratio and length of square cut out have negative effect on post-buckling response of micro composite plate. Furthermore, existence of CNTs in system causes improvement in the post-buckling behavior of plate and different distributions of CNTs in plate have diverse response. Meanwhile, nonlocal parameter and biaxial compression load on the plate has negative effect on post-buckling response. In addition, imposing magnetic field increases the post-buckling load of the microstructure.
In this article, the free vibration analysis of annular sandwich plates with various functionally graded (FG) porous cores and carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) facesheets is investigated based on modified couple stress theory (MCST) and first order shear deformation theories (FSDT). The annular sandwich plate is composed of two face layers and a functionally graded porous core layer which contains different porosity distributions. Various approaches such as extended mixture rule (EMR), Eshelby-Mori-Tanaka (E-M-T), and Halpin-Tsai (H-T) are used to determine the effective material properties of microcomposite circular sandwich plate. The governing equations of motion are extracted by using Hamilton's principle and FSDT. A Ritz method has been utilized to calculate the natural frequency of an annular sandwich plate. The effects of material length scale parameters, boundary conditions, aspect and inner-outer radius ratios, FG porous distributions, pore compressibility and volume fractions of CNTs are considered. The results are obtained by Ritz solutions that can be served as benchmark data to validate their numerical and analytical methods in the future work and also in solid-state physics, materials science, and micro-electro-mechanical devices.
Nguyen, Vu X.;Lieu, Qui X.;Le, Tuan A.;Nguyen, Thao D.;Suzuki, Takayuki;Luong, Van Hai
Steel and Composite Structures
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v.42
no.2
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pp.243-256
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2022
A coupled finite element method (FEM)-boundary element method (BEM) for analyzing the hydroelastic response of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) floating plates under moving loads is firstly introduced in this article. For that aim, the plate displacement field is described utilizing a generalized shear deformation theory (GSDT)-based FEM, meanwhile the linear water-wave theory (LWWT)-relied BEM is employed for the fluid hydrodynamic modeling. Both computational domains of the plate and fluid are coincidentally discretized into 4-node Hermite elements. Accordingly, the C1-continuous plate element model can be simply captured owing to the inherent feature of third-order Hermite polynomials. In addition, this model is also completely free from shear correction factors, although the shear deformation effects are still taken into account. While the fluid BEM can easily handle the free surface with a lower computational effort due to its boundary integral performance. Material properties through the plate thickness follow four specific CNT distributions. Outcomes gained by the present FEM-BEM are compared with those of previously released papers including analytical solutions and experimental data to validate its reliability. In addition, the influences of CNT volume fraction, different CNT configurations, water depth, and load speed on the hydroelastic behavior of FG-CNTRC plates are also examined.
Daikh, Ahmed Amine;Bensaid, Ismail;Bachiri, Attia;Houari, Mohamed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Merzouki, Tarek
Computers and Concrete
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v.26
no.2
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pp.137-150
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2020
In this paper, the bending behavior of single-walled carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) laminated plates is studied using various shear deformation plate theories. Several types of reinforcement material distributions, a uniform distribution (UD) and three functionally graded distributions (FG), are inspected. A generalized higher-order deformation plate theory is utilized to derive the field equations of the CNTRC laminated plates where an analytical technique based on Navier's series is utilized to solve the static problem for simply-supported boundary conditions. A detailed numerical analysis is carried out to examine the influence of carbon nanotube volume fraction, laminated composite structure, side-to-thickness, and aspect ratios on stresses and deflection of the CNTRC laminated plates.
In this study, nonlinear response of laminated functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) plate under low-velocity impact based on the Eshelby-Mori-Tanaka approach in thermal conditions is studied. The governing equations are derived based on higher-order shear deformation plate theory (HSDT) under von $K\acute{a}rm\acute{a}n$ geometrical nonlinearity assumptions. The finite element method with 15 DOF at each node and Newmark's numerical integration method is applied to solve the governing equations. Four types of distributions of the uniaxially aligned reinforcement material through the thickness of the plates are considered. Material properties of the CNT and matrix are assumed to be temperature dependent. Contact force between the impactor and the laminated plate is obtained with the aid of the modified nonlinear Hertzian contact law models. In the numerical example, the effect of layup (stacking sequence) and lamination angle as well as the effect of temperature variations, distribution of CNTs, volume fraction of the CNTs, the mass and the velocity of the impactor in a constant energy level and boundary conditions on the impact response of the CNTRC laminated plates are investigated in details.
Present paper deals with the large amplitude flexural vibration of carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) plates. Distribution of CNTs as reinforcements may be uniform or functionally graded (FG). The equivalent material properties of the composite media are obtained according to a refined rule of mixtures which contains efficiency parameters. To account for the large deformations, von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ type of geometrical nonlinearity is included into the formulation. The matrix representation of the governing equations is obtained according to the Ritz method where the basic shape functions are written in terms of the Chebyshev polynomials. Time dependency of the problem is eliminated by means of the Galerkin method and the resulting nonlinear eigenvalue problem is solved employing a direct displacement control approach. Results are obtained for completely clamped and completely simply supported plates. Results are first validated for the especial cases of FG-CNTRC and cross-ply laminated plates. Afterwards, parametric studies are given for FG-CNTRC plates with different boundary conditions. It is shown that, nonlinear frequencies are highly dependent to the volume fraction and dispersion profiles of CNTs. Furthermore, mode redistribution is observed in both simply supported and clamped FG-CNTRC plates.
Mehmet Bugra Ozbey;Yavuz Cetin Cuma;Ibrahim Ozgur Deneme;Faruk Firat Calim
Advances in nano research
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v.16
no.4
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pp.413-426
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2024
This paper investigates the dynamic behavior of a simply supported viscoelastic plate made of functionally graded carbon nanotube reinforced composite under dynamic loading. Carbon nanotubes are distributed in 5 different shapes: U, V, A, O and X, depending on the shape they form through the thickness of the plate. The displacement fields are derived in the Laplace domain using a higher-order shear deformation theory. Equations of motion are obtained through the application of the energy method and Hamilton's principle. The resulting equations of motion are solved using Navier's method. Transforming the Laplace domain displacements into the time domain involves Durbin's modified inverse Laplace transform. To validate the accuracy of the developed algorithm, a free vibration analysis is conducted for simply supported plate made of functionally graded carbon nanotube reinforced composite and compared against existing literature. Subsequently, a parametric forced vibration analysis considers the influence of various parameters: volume fractions of carbon nanotubes, their distributions, and ratios of instantaneous value to retardation time in the relaxation function, using a linear standard viscoelastic model. In the forced vibration analysis, the dynamic distributed load applied to functionally graded carbon nanotube reinforced composite viscoelastic plate is obtained in terms of double trigonometric series. The study culminates in an examination of maximum displacement, exploring the effects of different carbon nanotube distributions, volume fractions, and ratios of instantaneous value to retardation times in the relaxation function on the amplitudes of maximum displacements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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