This paper aims to investigate the vibration analysis of functionally graded porous (FGP) beams using State-space approach with several classical and non-classical boundary conditions. The materials properties of the porous FG beams are considered to have even and uneven distributions profiles along the thickness direction. The equation of motion for FGP beams with various boundary conditions is obtained through Hamilton's principle. State-space approach is used to obtain the governing equation of porous FG beam. The comparison of the results of this study with those in the literature validates the present analysis. The effects of span-to-depth ratio (L/h), of distribution shape of porosity and others parameters on the dynamic behavior of the beams are described. The results show that the boundary conditions, the geometry of the beams and the distribution shape of porosity affect the fundamental frequencies of the beams.
Kaddari, Miloud;Kaci, Abdelhakim;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Tounsi, Abdelouahed;Bourada, Fouad;Tounsi, Abdeldjebbar;Bedia, E.A. Adda;Al-Osta, Mohammed A.
Computers and Concrete
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제25권1호
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pp.37-57
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2020
This work investigates a new type of quasi-3D hyperbolic shear deformation theory is proposed in this study to discuss the statics and free vibration of functionally graded porous plates resting on elastic foundations. Material properties of porous FG plate are defined by rule of the mixture with an additional term of porosity in the through-thickness direction. By including indeterminate integral variables, the number of unknowns and governing equations of the present theory is reduced, and therefore, it is easy to use. The present approach to plate theory takes into account both transverse shear and normal deformations and satisfies the boundary conditions of zero tensile stress on the plate surfaces. The equations of motion are derived from the Hamilton principle. Analytical solutions are obtained for a simply supported plate. Contrary to any other theory, the number of unknown functions involved in the displacement field is only five, as compared to six or more in the case of other shear and normal deformation theories. A comparison with the corresponding results is made to verify the accuracy and efficiency of the present theory. The influences of the porosity parameter, power-law index, aspect ratio, thickness ratio and the foundation parameters on bending and vibration of porous FG plate.
Fenjan, Raad M.;Moustafa, Nader M.;Faleh, Nadhim M.
Advances in nano research
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제8권4호
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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.
Rad, A. Behravan;Farzan-Rad, M.R.;Majd, K. Mohammadi
Structural Engineering and Mechanics
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제64권5호
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pp.591-610
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2017
This paper is concerned with the static analysis of variable thickness of two directional functionally graded porous materials (FGPM) circular plate resting on a gradient hybrid foundation (Horvath-Colasanti type) with friction force and subjected to compound mechanical loads (e.g., transverse, in-plane shear traction and concentrated force at the center of the plate).The governing state equations are derived in terms of displacements based on the 3D theory of elasticity, assuming the elastic coefficients of the plate material except the Poisson's ratio varying continuously throughout the thickness and radial directions according to an exponential function. These equations are solved semi-analytically by employing the state space method (SSM) and one-dimensional differential quadrature (DQ) rule to obtain the displacements and stress components of the FGPM plate. The effect of concentrated force at the center of the plate is approximated with the shear force, uniformly distributed over the inner boundary of a FGPM annular plate. In addition to verification study and convergence analysis, numerical results are displayed to show the effect of material heterogeneity indices, foundation stiffness coefficients, foundation gradient indices, loads ratio, thickness to radius ratio, compressibility, porosity and friction coefficient of the foundation on the static behavior of the plate. Finally, the responses of FG and FG porous material circular plates to compound mechanical loads are compared.
This article present the free vibration analysis of simply supported perfect and imperfect (porous) FG beams using a high order trigonometric deformation theory. It is assumed that the material properties of the porous beam vary across the thickness. Unlike other theories, the number of unknown is only three. This theory has a parabolic shear deformation distribution across the thickness. So it is useless to use the shear correction factors. The Hamilton's principle will be used herein to determine the equations of motion. Since, the beams are simply supported the Navier's procedure will be retained. To show the precision of this model, several comparisons have been made between the present results and those of existing theories in the literature.
Mohamed, Salwa;Assie, Amr E.;Mohamed, Nazira;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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제45권3호
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pp.305-330
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2022
This article aims to investigate the static deflection and stress analysis of bi-directional functionally graded porous plate (BDFGPP) modeled by unified higher order kinematic theories to include the shear stress effects, which not be considered before. Different shear functions are described according to higher order models that satisfy the zero-shear influence at the top and bottom surfaces, and hence refrain from the need of shear correction factor. The material properties are graded through two spatial directions (i.e., thickness and length directions) according to the power law distribution. The porosities and voids inside the material constituent are described by different cosine functions. Hamilton's principle is implemented to derive the governing equilibrium equation of bi-directional FG porous plate structures. An efficient numerical differential integral quadrature method (DIQM) is exploited to solve the coupled variable coefficients partial differential equations of equilibrium. Problem validation and verification have been proven with previous prestigious work. Numerical results are illustrated to present the significant impacts of kinematic shear relations, gradation indices through thickness and length, porosity type, and boundary conditions on the static deflection and stress distribution of BDFGP plate. The proposed model is efficient in design and analysis of many applications used in nuclear, mechanical, aerospace, naval, dental, and medical fields.
The functionally graded (FG) porous plates are usually characterized by the non-symmetric elastic modulus distribution through the thickness so that the plate neutral surface does not coincide with the mid-surface. Nevertheless, the conventional analysis models were mostly based on the plate mid-surface so that the accuracy of resulting numerical results is questionable. In this context, this paper presents the neutral surface-based static and free vibration analysis of FG porous plates and investigates the differences between the mid- and neutral surface-based analysis models. The neutral surface-based numerical method is formulated using the (3,3,2) hierarchical model and approximated by the last introduced natural element method (NEM). The volume fractions of metal and ceramic are expressed by the power-law function and the cosine-type porosity distributions are considered. The proposed numerical method is demonstrated through the benchmark experiment, and the differences between two analysis models are parametrically investigated with respect to the thickness-wise material and porosity distributions. It is found from the numerical results that the difference cannot be negligible when the material and porosity distributions are remarkably biased in the thickness direction.
This paper presents nonlinear vibration analysis of a composite cylindrical shell. The core of the shell is made of functionally graded (FG) porous materials and layers is fabricated of carbon nanotubes (CNTs) reinforced nanocomposites. To increase the accuracy of results, neutral surface position is considered. First-order shear deformation theory is used as displacement field to derive the basic relations of equation motions. In addition, von-Karman nonlinear strains are employed to account geometric nonlinearity and to enhance the results' precision, the exact position of the neutral surface is considered. To governing the partial equations of motion, the Hamilton's principle is used. To reduce the equation motions into a nonlinear motion equation, the Galerkin's approach is employed. After that the nonlinear motion equation is solved by multiple scales method. Effect of various parameters such as volume fraction and distribution of CNTs along the thickness directions, different patterns and efficiency coefficients of porous materials, geometric characteristics and initial conditions on nonlinear to linear ratio of frequency is investigated.
Karami, Behrouz;Shahsavari, Davood;Janghorban, Maziar;Li, Li
Structural Engineering and Mechanics
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제73권2호
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pp.191-207
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2020
This study aims at investigating the size-dependent free vibration of porous nanoplates when exposed to hygrothermal environment and rested on Kerr foundation. Based on the modified power-law model, material properties of porous functionally graded (FG) nanoplates are supposed to change continuously along the thickness direction. The generalized nonlocal strain gradient elasticity theory incorporating three scale factors (i.e. lower- and higher-order nonlocal parameters, strain gradient length scale parameter), is employed to expand the assumption of second shear deformation theory (SSDT) for considering the small size effect on plates. The governing equations are obtained based on Hamilton's principle and then the equations are solved using an analytical method. The elastic Kerr foundation, as a highly effected foundation type, is adopted to capture the foundation effects. Three different patterns of porosity (namely, even, uneven and logarithmic-uneven porosities) are also considered to fill some gaps of porosity impact. A comparative study is given by using various structural models to show the effect of material composition, porosity distribution, temperature and moisture differences, size dependency and elastic Kerr foundation on the size-dependent free vibration of porous nanoplates. Results show a significant change in higher-order frequencies due to small scale parameters, which could be due to the size effect mechanisms. Furthermore, Porosities inside of the material properties often present a stiffness softening effect on the vibration frequency of FG nanoplates.
Zakaria Belabed;Abdeldjebbar Tounsi;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdelouahed Tounsi;Khaled Mohamed Khedher;Mohamed Abdelaziz Salem
Computers and Concrete
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제34권4호
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pp.447-476
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2024
The current research proposes an innovative finite element model established within the context of higher-order beam theory to examine the bending and buckling behaviors of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) beams resting on Winkler-Pasternak elastic foundations. This two-node beam element includes four degrees of freedom per node and achieves inter-element continuity with both C1 and C0 continuities for kinematic variables. The isoparametric coordinate system is implemented to generate the elementary stiffness and geometric matrices as a way to enhance the existing model formulation. The weak variational equilibrium equations are derived from the principle of virtual work. The mechanical properties of FG-CNTRC beams are considered to vary gradually and smoothly over the beam thickness. The current investigation highlights the influence of porosity dispersions through the beam cross-section, which is frequently omitted in previous studies. For this reason, this analysis offers an enhanced comprehension of the mechanical behavior of FG-CNTRC beams under various boundary conditions. Through the comparison of the current results with those published previously, the proposed finite element model demonstrates a high rate of efficiency and accuracy. The estimated results not only refine the precision in the mechanical analysis of FG-CNTRC beams but also offer a comprehensive conceptual model for analyzing the performance of porous composite structures. Moreover, the current results are crucial in various sectors that depend on structural integrity in specific environments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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