The objective of the present paper is to investigate the bending and free vibration behavior of functionally graded material (FGM) sandwich rectangular plates using an efficient and simple higher order shear deformation theory. Unlike other theories, there are only four unknown functions involved, as compared to five in other shear deformation theories. The most interesting feature of this theory is that it does not require the shear correction factor. Two common types of FGM sandwich plates are considered, namely, the sandwich with the FGM facesheet and the homogeneous core and the sandwich with the homogeneous facesheet and the FGM core. The equation of motion for the FGM sandwich plates is obtained based on Hamilton's principle. The closed form solutions are obtained by using the Navier technique. A static and free vibration frequency is given for different material properties. The accuracy of the present solutions is verified by comparing the obtained results with the existing solutions.
Bouguenina, Otbi;Belakhdar, Khalil;Tounsi, Abdelouahed;Adda Bedia, El Abbes
Steel and Composite Structures
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v.19
no.3
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pp.679-695
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2015
A numerical solution using finite difference method to evaluate the thermal buckling of simply supported FGM plate with variable thickness is presented in this research. First, the governing differential equation of thermal stability under uniform temperature through the plate thickness is derived. Then, the governing equation has been solved using finite difference method. After validating the presented numerical method with the analytical solution, the finite difference formulation has been extended in order to include variable thickness. The accuracy of the finite difference method for variable thickness plate has been also compared with the literature where a good agreement has been found. Furthermore, a parametric study has been conducted to analyze the effect of material and geometric parameters on the thermal buckling resistance of the FGM plates. It was found that the thickness variation affects isotropic plates a bit more than FGM plates.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.7
no.5
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pp.47-60
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2007
In this paper, we investigate the natural frequencies and buckling loads of functionally graded material (FGM) plates and shells, using a quasi-conforming shell element that accounts for the transverse shear strains and rotary inertia. The eigenvalue of the FGM plates and shells are calculated by varying the volume fraction of the ceramic and metallic constituents using a sigmoid function, but their Poisson's ratios of the FGM plates and shells are assumed to be constant. The expressions of the membrane, bending and shear stiffness of FGM shell element are more complicated combination of material properties than a homogeneous element. In order to validate the finite element numerical solutions, the Navier's solutions of rectangular plates based on the first-order shear deformation theory are presented. The present numerical solutions of composite and sigmoid FGM (S-FGM) plates are proved by the Navier's solutionsand various examples of composite and FGM structures are presented. The present results are in good agreement with the Navier's theoretical solutions.
In this study, the natural frequencies of Functional Graded Materials (FGM) plates are predicted using Artificial Neural Network (ANN). A model based on Third-order Shear Deformation Theory (TSDT) and FEM is used to train the ANN model. Different training methods are tested to simulate input and output dependency. As this is a parametric model, several architectures and optimization algorithms were tested. The proposed model allows us to minimize the CPU time to evaluate candidate material properties for FGM plate material selection and demonstrate their influence on dynamic behavior. Consequently, the time required for the FGM design process (candidate materials for material selection) and the geometric optimization of the FGM structure would remain reasonable. The ANN model can help industries to produce FGM plates with good mechanical properties of the selected materials. I addition, this model can be used to directly predict vibration behavior by testing a large number of FGM plates, representing all possible combinations of metals and ceramics in today's industry, without having to solve any eigenvalue problems.
The use of functionally graded materials in applications involving severe thermal gradients is quickly gaining acceptance in the composite mechanics community, the aerospace and aircraft industry. In the present study, a refined sandwich plate model is applied to study the free vibration analysis of porous functionally graded material (FGM) sandwich plates with various distribution rate of porosity. Two types of common FG sandwich plates are considered. The first sandwich plate is composed of two FG material (FGM) face sheets and a homogeneous ceramic or metal core. The second one consists of two homogeneous fully metal and ceramic face sheets at the top and bottom, respectively, and a FGM core. The displacement field of the present theory is chosen based on nonlinear variations in the in-plane displacements through the thickness of the sandwich plate. The number of unknowns and equations of motion of the present theory is reduced and hence makes them simple to use. In the analysis, the equation of motion for simply supported sandwich plates is obtained using Hamilton's principle. In order to present the effect of the variation of the porosity distribution on the dynamic behavior of the FGM sandwich plates, new mixtures are proposed which take into account different rate of porosity distribution between the ceramic and the metal. The present method is applicable to study the dynamic behavior of FGM plates and sandwich plates. The frequencies of two kinds of FGM sandwich structures are analyzed and discussed. Several numerical results have been compared with the ones available in the literature.
In this article, the buckling and free vibration of multi-directional FGM sandwich plates are investigated. The material properties of FGM sandwich plates are assumed to be varying continuously in the in the longitudinal, transverse and thickness directions. The material properties are evaluated based on Voigt's micro-mechanical model considering power law distribution method with arbitrary power index. Equations of motion for the buckling and vibration analysis of multi-directional FGM sandwich plate are obtained based on refined shear deformation theory. Analytical solution for simply supported multidirectional FGM sandwich plate is carried out using Navier's solution technique. The FGM sandwich plate considered in this work has a homogeneous ceramic core and two functionally graded face sheets. Influence of volume fraction index in the longitudinal, transverse and thickness direction, layer thickness, and geometrical parameter over natural frequency and critical buckling load of multi-directional FGM sandwich plate is investigated. The finding shows a multi-directional functionally graded structures perform better compared to uni-directional gradation. Hence, critical grading parameters have been identified which will guide researchers in selecting fabrication routes for improving the performance of such structures.
In this paper, an analytical analysis for the study of vibratory behavior and wave propagation of functionally graded plates (FGM) is presented based on a high order shear deformation theory. The manufacture of these plates' defects can appear in the form of porosity. This latter can question and modify the global behavior of such plates. A new shape of the distribution of porosity according to the thickness of the plate was used. The field of displacement of this theory is present of indeterminate integral variables. The modulus of elasticity and the mass density of these plates are assumed to vary according to the thickness of the plate. Equations of motion are derived by the principle of minimization of energies. Analytical solutions of free vibration and wave propagation are obtained for FGM plates simply supported by integrating the analytic dispersion relation. Illustrative examples are given also to show the effects of variation of various parameters such as(porosity parameter, material graduation, thickness-length ratio, porosity distribution) on vibration and wave propagation of FGM plates.
Hakim Bentrar;Sidi Mohammed Chorfi;Sid Ahmed Belalia;Abdelouahed Tounsi;Mofareh Hassan Ghazwani;Ali Alnujaie
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.6
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pp.551-567
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2023
In this work, the free vibration analysis of functionally graded material (FGM) sandwich plates with porosity is conducted using the p-version of the finite element method (FEM), which is based on the first-order shear deformation theory (FSDT). The sandwich plate consists of two face-sheet layers of FGM and a homogeneous core layer. The obtained results are validated using convergence and comparison studies with previously published results. Five porosities distribution models of FGM sandwich plates are assumed and analyzed. The effect of the thickness ratio, boundary conditions, volume fraction exponents, and porosity coefficients of the top and bottom layers of FGM sandwich plates on the natural frequency are addressed.
In this work, the static behavior of FGM macro and nano-plates under thermomechanical loading. Equilibrium equations are determined by using virtual work principle and local and non-local theory. The novelty of the current model is using a new displacement field with four variables and a warping function considering the effect of shear. Through this analysis, the considered sandwich FGM macro and nanoplates are a homogeneous core and P-FGM faces, homogeneous faces and an E-FGM core and finally P-FGM faces and an E-FGM core. The analytical solution is obtained by using Navier method. The model is verified with previous published works by other models and very close results are obtained within maximum 1% deviation. The numerical results are performed to present the influence of the various parameters such as, geometric ratios, material index as well as the scale parameters are investigated. The present model can be applicable for sandwich FG plates used in nuclear, aero-space, marine, civil and mechanical applications.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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