Garg, A.;Mukhopadhyay, T.;Chalak, H.D.;Belarbi, M.O.;Li, L.;Sahoo, R.
Steel and Composite Structures
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v.44
no.5
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pp.707-720
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2022
In the present work, bending and free vibration analyses of multilayered functionally graded (FG) graphene platelet (GPL) and fiber-reinforced hybrid composite beams are carried out using the parabolic function based shear deformation theory. Parabolic variation of transverse shear stress across the thickness of beam and transverse shear stress-free conditions at top and bottom surfaces of the beam are considered, and the proposed formulation incorporates a transverse displacement field. The present theory works only with four unknowns and is computationally efficient. Hamilton's principle has been employed for deriving the governing equations. Analytical solutions are obtained for both the bending and free vibration problems in the present work considering different variations of GPLs and fibers distribution, namely, FG-X, FG-U, FG-Λ, and FG-O for beams having simply-supported boundary condition. First, the matrix is assumed to be strengthened using GPLs, and then the fibers are embedded. Multiscale modeling for material properties of functionally graded graphene platelet/fiber hybrid composites (FG-GPL/FHRC) is performed using Halpin-Tsai micromechanical model. The study reveals that the distributions of GPLs and fibers have significant impacts on the stresses, deflections, and natural frequencies of the beam. The number of layers and shape factors widely affect the behavior of FG-GPL-FHRC beams. The multilayered FG-GPL-FHRC beams turn out to be a good approximation to the FG beams without exhibiting the stress-channeling effects.
This paper presents the analytical solutions for the size-dependent static analysis of the functionally graded (FG) beams with various boundary conditions based on the nonlocal continuum model. The nonlocal behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables to this model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The elastic modulus of beam is assumed to vary through the thickness or longitudinal directions according to the power law. The governing equations are derived by using the nonlocal continuum theory incorporated with Euler-Bernoulli beam theory. The explicit solutions are derived for the static behavior of the transversely or axially FG beams with various boundary conditions. The verification of the model is obtained by comparing the current results with previously published works and a good agreement is observed. Numerical results are presented to show the significance of the nonlocal effect, the material distribution profile, the boundary conditions, and the length of beams on the bending behavior of nonlocal FG beams.
The effect of temperature dependent material properties on the free vibration of FG porous beams is investigated in the present paper. A quasi-3D shear deformation solution is used involves only three unknown function. The mechanical properties which are considered to be temperature-dependent as well as the porosity distributions are assumed to gradually change along the thickness direction according to defined law. The beam is supposed to be simply supported and lying on variable elastic foundation. The differential equation system governing the free vibration behavior of porous beams is derived based on the Hamilton principle. Navier's method for simply supported systems is then used to determine and compute the frequencies of FG porous beam. The results of the present formulation are validated by comparing with those available literatures. Finally, the effects of several parameters such as porosity distribution and the parameters of variable elastic foundation on the free vibration behavior of temperature-dependent FG beams are presented and discussed in detail.
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.
In the current paper, the nonlinear resonance response of functionally graded graphene platelet reinforced (FG-GPLRC) beams by considering different boundary conditions is investigated using the Euler-Bernoulli beam theory. Four different graphene platelets (GPLs) distributions including UD and FG-O, FG-X, and FG-A are considered and the effective material parameters are calculated by Halpin-Tsai model. The nonlinear vibration equations are derived by Euler-Lagrange principle. Then the perturbation method is used to discretize the motion equations, and the loadings and displacement are all expanded, so as to obtain the first to third order perturbation equations, and then the asymptotic solution of the equations can be obtained. Then the nonlinear amplitude-frequency response is obtained with the help of the modified Lindstedt-Poincare method (Chen and Cheung 1996). Finally, the influences of the distribution types of GPLs, total GPLs layers, GPLs weight fraction, elastic foundations and boundary conditions on the resonance problems are comprehensively studied. Results show that the distribution types of GPLs, total GPLs layers, GPLs weight fraction, elastic foundations and boundary conditions have a significant effect on the nonlinear resonance response of FG-GPLRC beams.
This paper deals with the nonlinear static deflections of functionally graded (FG) porous under thermal effect. Material properties vary in both position-dependent and temperature-dependent. The considered nonlinear problem is solved by using Total Lagrangian finite element method within two-dimensional (2-D) continuum model in the Newton-Raphson iteration method. In numerical examples, the effects of material distribution, porosity parameters, temperature rising on the nonlinear large deflections of FG beams are presented and discussed with porosity effects. Also, the effects of the different porosity models on the FG beams are investigated in temperature rising.
Thermo-mechanical vibration of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) is investigated within the framework of Timoshenko beam theory. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture and are considered to be temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and are solved using an efficient semi-analytical technique of the differential transform method (DTM). Comparison between the results of the present work and those available in literature shows the accuracy of this method. A parametric study is conducted to study the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and various boundary conditions on free vibration behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. It is explicitly shown that the vibration characteristics of the curved nanosize beams are significantly influenced by the surface density effects.
Fenjan, Raad M.;Moustafa, Nader M.;Faleh, Nadhim M.
Advances in nano research
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v.8
no.4
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pp.283-292
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2020
In the present research, differential quadrature (DQ) method has been utilized for investigating free vibrations of porous functionally graded (FG) micro/nano beams in thermal environments. The exact location of neutral axis in FG material has been assumed where the material properties are described via porosity-dependent power-law functions. A scale factor related to couple stresses has been employed for describing size effect. The formulation of scale-dependent beam has been presented based upon a refined beam theory needless of shear correction factors. The governing equations and the associated boundary conditions have been established via Hamilton's rule and then they are solved implementing DQ method. Several graphs are provided which emphasis on the role of porosity dispersion type, porosity volume, temperature variation, scale factor and FG material index on free vibrational behavior of small scale beams.
Merzoug, Mostafa;Bourada, Mohamed;Sekkal, Mohamed;Abir, Ali Chaibdra;Chahrazed, Belmokhtar;Benyoucef, Samir;Benachour, Abdelkader
Geomechanics and Engineering
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v.22
no.4
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pp.361-374
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2020
This paper is concerned with the thermoelastic bending of FG beams resting on two-layer elastic foundations. One of these layers is Winkler springs with a variable modulus while the other is considered as a shear layer with a constant modulus. The beams are considered simply supported and subjected to thermo-mechanical loading. Temperature-dependent material properties are considered for the FG beams, which are assumed to be graded continuously across the panel thickness. The used theories contain undetermined integral terms which lead to a reduction of unknowns functions. Several micromechanical models are used to estimate the effective two-phase FG material properties as a function of the particles' volume fraction considering thermal effects. Analytical solutions for the thermo-mechanical bending analysis are obtained based on Navier's method that satisfies the boundary conditions. Finally, the numerical results are provided to reveal the effect of explicit micromechanical models, geometric parameters, temperature distribution and elastic foundation parameters on the thermoelastic response of FG beams.
Thermo-mechanical buckling of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) within the framework of Timoshenko beam theory is presented. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. Also the properties of these materials should be considered temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and solved using an efficient technique called the Differential Transform Method (DTM) to achieve the critical buckling of the sandwich beam in uniform thermal environment. A detailed parametric study is guided to investigate the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and clamped-clamped, simply-simply and clamped-simply end supports on the critical buckling behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. Numerical results for comparison of sandwich beams with uniformly distributed carbon nanotube-reinforced composite (UD-CNTRC) face sheets with those with FG-CNTRC face sheets are also presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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