Khalaf, Basima Salman;Fenjan, Raad M.;Faleh, Nadhim M.
Advances in materials Research
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제8권3호
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pp.219-235
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2019
This research is devoted to analyzing mechanical-thermal post-buckling behavior of a micro-size beam reinforced with graphene platelets (GPLs) based on geometric imperfection effects. Graphene platelets have three types of dispersion within the structure including uniform-type, linear-type and nonlinear-type. The micro-size beam is considered to be perfect (ideal) or imperfect. Buckling mode shape of the micro-size beam has been assumed as geometric imperfection. Modified couple stress theory has been used for describing scale-dependent character of the beam having micro dimension. Via an analytical procedure, post-buckling path of the micro-size beam has been derived. It will be demonstrated that nonlinear buckling characteristics of the micro-size beam are dependent on geometric imperfection amplitude, thermal loading, graphene distribution and couple stress effects.
In this paper, buckling analyses of composite plate reinforced by Graphen platelate (GPL) is studied. The Halphin-Tsai model is used for obtaining the effective material properties of nano composite plate. The nano composite plate is modeled by Third order shear deformation theory (TSDT). The elastic medium is simulated by Winkler model. Employing nonlinear strains-displacements, stress-strain, the energy equations of plate are obtained and using Hamilton's principal, the governing equations are derived. The governing equations are solved based on Navier method. The effect of GPL volume percent, geometrical parameters of plate and elastic foundation on the buckling load are investigated. Results showed that with increasing GPLs volume percent, the buckling load increases.
In this paper, buckling analyses of nanocomposite plate reinforced by Graphen platelet (GPL) is studied. The Halphin-Tsai model is used for obtaining the effective material properties of nanocomposite plate. The nanocomposite plate is modeled by Third order shear deformation theory (TSDT). The elastic medium is simulated by Winkler model. Employing relations of strains-displacements and stress-strain, the energy equations of the plate are obtained and using Hamilton's principle, the governing equations are derived. The governing equations are solved based on analytical solution. The effect of GPL volume percent, geometrical parameters of plate and elastic foundation on the buckling load are investigated. Results show that with increasing GPLs volume percent, the buckling load increases. In addition, elastic medium can enhance the values of buckling load significantly.
Natural frequency behavior of graphene platelets reinforced composite (GPL-RC) joined truncated conical-cylindrical- conical shells resting on Winkler-type elastic foundation is presented in this paper for the first time. The rule of mixture and the modified Halpin-Tsai approach are applied to achieve the mechanical properties of the structure. Four different graphene platelets patterns are considered along the thickness of the structure such as GPLA, GPLO, GPLX, GPLUD. Finite element procedure according to Rayleigh-Ritz formulation has been used to solve 2D-axisymmetric elasticity equations. Application of 2D axisymmetric elasticity theory allows thickness stretching unlike simple shell theories, and this gives more accurate results, especially for thick shells. An efficient parametric investigation is also presented to show the effects of various geometric variables, three different boundary conditions, stiffness of elastic foundation, dispersion pattern and weight fraction of GPLs nanofillers on the natural frequencies of the joined shell. Results show that GPLO and BC3 provide the most rigidity that cause the most natural frequencies among different BCs and GPL patterns. Also, by increasing the weigh fraction of nanofillers, the natural frequencies will increase up to 200%.
The current research deals with, stability/instability and cylindrical composite nano-scaled shell's resonance frequency filled by graphene nanoplatelets (GPLs) under various thermal conditions (linear and nonlinear thermal loadings). The piece-wise GPL-reinforced composites' material properties change through the orientation of cylindrical nano-sized shell's thickness as the temperature changes. Moreover, in order to model all layers' efficient material properties, nanomechanical model of Halpin-Tsai has been applied. A functionally modified couple stress model (FMCS) has been employed to simulate GPLRC nano-sized shell's size dependency. It is firstly investigated that reaching the relative frequency's percentage to 30% would lead to thermal buckling. The current study's originality is in considering the multifarious influences of GPLRC and thermal loading along with FMCS on GPLRC nano-scaled shell's resonance frequencies, relative frequency, dynamic deflection, and thermal buckling. Furthermore, Hamilton's principle is applied to achieve boundary conditions (BCs) and governing motion equations, while the mentioned equations are solved using an analytical approach. The outcomes reveal that a range of distributions in temperature and other mechanical and configurational characteristics have an essential contribution in GPLRC cylindrical nano-scaled shell's relative frequency change, resonance frequency, stability/instability, and dynamic deflection. The current study's outcomes are practical assumptions for materials science designing, nano-mechanical, and micromechanical systems such as micro-sized sensors and actuators.
This is the first research on the smart control and vibration analysis of a Graphene nanoplatelets (GPLs) Reinforced Composite (GPLRC) porous cylindrical shell covered with piezoelectric layers as sensor and actuator (PLSA) in the framework of numerical based Generalized Differential Quadrature Method (GDQM). The stresses and strains are obtained using the First-order Shear Deformable Theory (FSDT). Rule of the mixture is employed to obtain varying mass density and Poisson's ratio, while the module of elasticity is computed by modified Halpin-Tsai model. The external voltage is applied to sensor layer and a Proportional-Derivative (PD) controller is used for sensor output control. Governing equations and boundary conditions of the GPLRC cylindrical shell are obtained by implementing Hamilton's principle. The results show that PD controller, length to radius ratio (L/R), applied voltage, porosity and weight fraction of GPL have significant influence on the frequency characteristics of a porous GPLRC cylindrical shell. Another important consequence is that at the lower value of the applied voltage, the influence of the smart controller on the frequency of the micro composite shell is much more significant in comparison with the higher ones.
Khayat, Majid;Baghlani, Abdolhossein;Dehghan, Seyed Mehdi;Najafgholipour, Mohammad Amir
Steel and Composite Structures
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제38권1호
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pp.47-66
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2021
This work addresses the free vibration analysis of Functionally Graded Porous (FGP) nanocomposite truncated conical shells with Graphene PLatelet (GPL) reinforcement. In this study, three different distributions for porosity and three different dispersions for graphene platelets have been considered in the direction of the shell thickness. The Halpin-Tsai equations are used to find the effective material properties of the graphene platelet reinforced materials. The equations of motion are derived based on the higher-order shear deformation theory and Sanders's theory. The Fourier Differential Quadrature (FDQ) technique is implemented to solve the governing equations of the problem and to obtain the natural frequencies of the truncated conical shell. The combination of FDQ with higher-order shear deformation theory allows a very accurate prediction of the natural frequencies. The precision and reliability of the proposed method are verified by the results of literature. Moreover, a wide parametric study concerning the effect of some influential parameters, such as the geometrical parameters, porosity distribution, circumferential wave numbers, GPLs dispersion as well as boundary restraint conditions on free vibration response of FGP-GPL truncated conical shell is also carried out and investigated in detail.
Based on the ideas of variational differential quadrature (VDQ) and finite element method (FEM), a numerical approach named as VDQFEM is applied herein to study the large deformations of plate-type structures under static loading with arbitrary shape hole made of functionally graded graphene platelet-reinforced composite (FG-GPLRC) in the context of higher-order shear deformation theory (HSDT). The material properties of composite are approximated based upon the modified Halpin-Tsai model and rule of mixture. Furthermore, various FG distribution patterns are considered along the thickness direction of plate for GPLs. Using novel vector/matrix relations, the governing equations are derived through a variational approach. The matricized formulation can be efficiently employed in the coding process of numerical methods. In VDQFEM, the space domain of structure is first transformed into a number of finite elements. Then, the VDQ discretization technique is implemented within each element. As the last step, the assemblage procedure is performed to derive the set of governing equations which is solved via the pseudo arc-length continuation algorithm. Also, since HSDT is used herein, the mixed formulation approach is proposed to accommodate the continuity of first-order derivatives on the common boundaries of elements. Rectangular and circular plates under various boundary conditions with circular/rectangular/elliptical cutout are selected to generate the numerical results. In the numerical examples, the effects of geometrical properties and reinforcement with GPL on the nonlinear maximum deflection-transverse load amplitude curve are studied.
Although some scholars have studied the thermal post-buckling of graphene platelets strengthened metal foams (GPLRMFs) plates, they have not considered the influence of initial geometrical imperfection. Inspired by this fact, the present paper studies the thermal post-buckling characteristics of GPLRMFs plates with initial geometrical imperfection. Three kinds of graphene platelets (GPLs) distribution patterns including three patterns have been considered. The governing equations are derived according to the first-order plate theory and solved with the help of the Galerkin method. According to the comparison with published paper, the accuracy and correctness of the present research are verified. In the end, the effects of material properties and initial geometrical imperfection on the thermal post-buckling response of the GPLRMFs plates are examined. It can be found that the presence of initial geometrical imperfection reduces the thermal post-buckling strength. In addition, the present study indicates that GPL-A pattern is best way to improve thermal post-buckling strength for GPLRMFs plates, and the presence of foams can improve the thermal post-buckling strength of GPLRMFs plates, the Foam- II and Foam- I patterns have the lowest and highest thermal post-buckling strength. Our research can provide guidance for the thermal stability analysis of GPLRMFs plates.
Bui Manh Cuong;Abdelouahed Tounsi;Do Van Thom;Nguyen Thi Hai Van;Phung Van Minh
Computers and Concrete
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제33권1호
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pp.91-102
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2024
Beam-shaped components commonly rotate along a fixed axis when massive mechanical structures like rotors, jet engine blades, motor turbines, and rotating railway crossings perform their functions. For these structures to be useful in real life, their mechanical behavior is essential. Therefore, this is the first article to use the modified shear deformation theory type hyperbolic sine functions theory and the FEM to study the static bending response of rotating functionally graded GPL-reinforced composite (FG-GPLRC) beams with initial geometrical deficiencies in thermal media. Graphene platelets (GPLs) in three different configurations are woven into the beam's composition to increase its strength. By comparing the numerical results with those of previously published studies, we can assess the robustness of the theory and mechanical model employed in this study. Parameter studies are performed to determine the effect of various geometric and physical variables, such as rotation speed and temperature, on the bending reactions of structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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