In this paper history of stresses, strains, radial and circumferential displacements of a functionally graded thick-walled hollow cylinder due to creep phenomenon is investigated. The cylinder is subjected to an arbitrary non-axisymmetric two dimensional thermo-mechanical loading and uniform magnetic field along axial direction. Using equilibrium, strain-displacements and stress-strain relations, the governing differential equations of the problem containing creep strains are derived in terms of radial and circumferential displacements. Since the displacements are varying with time due to creep phenomenon, an analytical solution is not available for these equations. Thus, a semi-analytical procedure based on separation of variables and Fourier series together with a numerical procedure is employed. The numerical results indicate that the non-axisymmetric loading and the material grading index have significant effect on stress redistributions. Moreover, by proper selection of material for any combination of non-axisymmetric loading, one can arrive suitable response for the cylinder to achieve optimal design. With some simplifications, the results are validated with the existing literature.
In this paper, a new semi-analytical solution for estimating the pull-in parameters of electrically actuated functionally graded (FG) nanobeams is proposed. All the bulk and surface material properties of the FG nanoactuator vary continuously in thickness direction according to power law distribution. Here, the modified couple stress theory (MCST) and Gurtin-Murdoch surface elasticity theory (SET) are jointly employed to capture the size effects of the nanoscale beam in the context of Euler-Bernoulli beam theory. According to the MCST and SET and accounting for the mid-plane stretching, axial residual stress, electrostatic actuation, fringing field, and dispersion (Casimir or/and van der Waals) forces, the nonlinear nonclassical equation of motion and boundary conditions are obtained derived using Hamilton principle. The proposed semi-analytical solution is derived by employing Galerkin method in conjunction with the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The proposed solution approach is validated with the available literature. The freestanding behavior of nanoactuators is also investigated. A parametric study is conducted to illustrate the effects of different material and geometrical parameters on the pull-in response of cantilever and doubly-clamped FG nanoactuators. This model and proposed solution are helpful especially in mechanical design of micro/nanoactuators made of FGMs.
Sinusoidal shear deformation theory (SSDT) is developed here for dynamic buckling of functionally graded (FG) nano-plates. The material properties of plate are assumed to vary according to power law distribution of the volume fraction of the constituents. In order to present a realistic model, the structural damping of nano-structure is considered using Kelvin-Voigt model. The surrounding elastic medium is modeled with a novel foundation namely as orthotropic visco-Pasternak medium. Size effects are incorporated based on Eringen'n nonlocal theory. Equations of motion are derived from the Hamilton's principle. The differential quadrature method (DQM) in conjunction with Bolotin method is applied for obtaining the dynamic instability region (DIR). The detailed parametric study is conducted, focusing on the combined effects of the nonlocal parameter, orthotropic visco-Pasternak foundation, power index of FG plate, structural damping and boundary conditions on the dynamic instability of system. The results are compared with those of first order shear deformation theory and higher-order shear deformation theory. It can be concluded that the proposed theory is accurate and efficient in predicting the dynamic buckling responses of system.
Kolahchi, Reza;Bidgoli, Ali Mohammad Moniri;Heydari, Mohammad Mehdi
Structural Engineering and Mechanics
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v.55
no.5
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pp.1001-1014
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2015
Bending analysis of functionally graded (FG) nano-plates is investigated in the present work based on a new sinusoidal shear deformation theory. The theory accounts for sinusoidal distribution of transverse shear stress, and satisfies the free transverse shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factor. The material properties of nano-plate are assumed to vary according to power law distribution of the volume fraction of the constituents. The size effects are considered based on Eringen's nonlocal theory. Governing equations are derived using energy method and Hamilton's principle. The closed-form solutions of simply supported nano-plates are obtained and the results are compared with those of first-order shear deformation theory and higher-order shear deformation theory. The effects of different parameters such as nano-plate length and thickness, elastic foundation, orientation of foundation orthtotropy direction and nonlocal parameters are shown in dimensionless displacement of system. It can be found that with increasing nonlocal parameter, the dimensionless displacement of nano-plate increases.
The size-dependent nonlinear thermomechanical vibration analysis of pre- and post-buckled tapered two-directional functionally graded (2D-FG) microbeams is presented in this study. In the context of the modified couple stress theory, the formulations are derived based on the parabolic shear deformation beam theory and von Karman nonlinear strains. Different thermomechanical material properties are assumed to be temperature-dependent and smoothly vary in both length and thickness directions using the power law and the physical neutral axis concept is employed. The nonlinear governing equations are derived using the Hamilton principle and the resulting variable coefficient equations of motion are solved using the differential quadrature method (DQM) and iterative Newton's method for clamped-clamped and simply supported boundary conditions. Comparison studies are presented to validate the derived model and solution procedure. The impacts of induced thermal moments, temperature power index, two gradient indices, nonuniform cross-section, and microstructure length scale parameter on the frequency-temperature configurations are explored for both clamped and simply supported microbeams.
Ahmed Amine Daikh;Amin Hamdi;Hani M. Ahmed;Mohamed S. Abdelwahed;Alaa A. Abdelrahman;Mohamed A. Eltaher
Advances in nano research
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v.15
no.2
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pp.113-128
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2023
The advancement of theoretical research has numerous challenges, particularly with regard to the modeling of structures, in contrast to experimental investigation of the mechanical behavior of complex systems. The main objective of this investigation is to provide an analytical analysis of the static problem of a new generation of composite structure, namely, functionally graded FG graphene reinforced composite GRC coated plates/shells. A complex power law function is used to define the material's graduation. Investigations are conducted on Hardcore and Softcore coated FG plates/shells. The virtual work approach is used to perform the equilibrium equations, which are then solved using the Galerkin technique to account for various boundary conditions. With reliable published articles, the presented solution is validated. The effects of hardcore and softcore distributions, gradation indexes, and boundary conditions on the buckling, bending deflection and stresses of FG GRC-coated shells are presented in detail. Obtained results and the developed procedure are supportive for design and manufacturing of FG-GRC coated plates/shells in several fields and industries e.g., aerospace, automotive, marine, and biomedical implants.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.32
no.8
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pp.91-100
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2004
A Green's function approach is adopted for analyzing the thermoelastic deformations and stresses of a plate made of functionally graded materials(FGMs). The solution to the 3-dimensional unsteady temperature is obtained by using the laminate theory. The fundamental equations for thermoelastic problems are derived in terms of out-plane deformation and in-plane force, separately. The thermoelastic deformation and the stress distributions due to the bending and in-plane forces are analyzed by using a Green's function based on the Galerkin method. The eigenfunctions of the Galerkin Green's function for the thermoelastic deformation and the stress distributions are approximated in terms of a series of admissible functions that satisfy the homogeneous boundary conditions of the rectangular plate. Numerical analysis for a simply supported plate is carried out and effects of material properties on unsteady thermoclastic behaviors are discussed.
Present disquisition proposes an analytical solution method for exploring the buckling characteristics of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) plates with various boundary conditions for the first time. Magneto electro mechanical properties of FGM plate are supposed to change through the thickness direction of plate. The rule of power-law is modified to consider influence of porosity according to two types of distribution namely even and uneven. Pores possibly occur inside FGMs due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. The variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties. Four-variable tangential-exponential refined theory is employed to derive the governing equations and boundary conditions of porous FGM plate under magneto-electrical field via Hamilton's principle. An analytical solution procedure is exploited to achieve the non-dimensional buckling load of porous FG plate exposed to magneto-electrical field with various boundary condition. A parametric study is led to assess the efficacy of material graduation exponent, coefficient of porosity, porosity distribution, magnetic potential, electric voltage, boundary conditions, aspect ratio and side-to-thickness ratio on the non-dimensional buckling load of the plate made of magneto electro elastic FG materials with porosities. It is concluded that these parameters play remarkable roles on the dynamic behavior of porous MEE-FG plates. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG plates with porosity phases.
An analytical formulation and solution process for the buckling analysis of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) beam via different thermal loadings and various boundary conditions is suggested in this paper. Magneto electro mechanical coupling properties of FGM beam are taken to vary via the thickness direction of beam. The rule of power-law is changed to consider inclusion of porosity according to even and uneven distribution. Pores possibly occur inside FGMs due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. Change in pores along the thickness direction stimulates the mechanical and physical properties. Four-variable tangential-exponential refined theory is employed to derive the governing equations and boundary conditions of porous FGM beam under magneto-electrical field via Hamilton's principle. An analytical model procedure is adopted to achieve the non-dimensional buckling load of porous FG beam exposed to magneto-electrical field with various boundary conditions. In order to evaluate the influence of thermal loadings, material graduation exponent, coefficient of porosity, porosity distribution, magnetic potential, electric voltage and boundary conditions on the critical buckling temperature of the beam made of magneto electro elastic FG materials with porosities a parametric study is presented. It is concluded that these parameters play remarkable roles on the buckling behavior of porous MEE-FG beam. The results for simpler states are proved for exactness with known data in the literature. The proposed numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG beam with porosity phases.
In this work, the buckling analysis of material sandwich plates based on a two-parameter elastic foundation under various boundary conditions is investigated on the basis of a new theory of refined trigonometric shear deformation. This theory includes indeterminate integral variables and contains only four unknowns in which any shear correction factor not used, with even less than the conventional theory of first shear strain (FSDT). Applying the principle of virtual displacements, the governing equations and boundary conditions are obtained. To solve the buckling problem for different boundary conditions, Galerkin's approach is utilized for symmetric EGM sandwich plates with six different boundary conditions. A detailed numerical study is carried out to examine the influence of plate aspect ratio, elastic foundation coefficients, ratio, side-to-thickness ratio and boundary conditions on the buckling response of FGM sandwich plates. A good agreement between the results obtained and the available solutions of existing shear deformation theories that have a greater number of unknowns proves to demonstrate the precision of the proposed theory.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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