In this study, a new model to predict the effective elastic constants of composites with spherical fillers is proposed. The original Eshelby model is extended to a finite filler volume fraction without using Mori-Tanaka's mean field approach. When single filler is embedded in the matrix, the effective elastic constants of the composite are computed. The composite is in turn considered as a new matrix, where new single filler is again embedded in the matrix. The predicted results by the present model with a series of embedding procedures are compared with those by Mori-Tanaka, self-consistent, and generalized self-consistent models. It is revealed through parametric studies such as stiffness ratio of the filler to the matrix and filler volume fraction that the present model gives more accurate predictions than Mori-Tanaka model without using the complicated numerical scheme used in self-consistent and generalized self-consistent models.
In this research, bending analysis of a micro sandwich skew plate with isotropic core and piezoelectric composite face sheets reinforced by carbon nanotube on the elastic foundations are studied. The classical plate theory (CPT) are used to model micro sandwich skew plate and to apply size dependent effects based on modified strain gradient theory. Eshelby-Mori-Tanaka approach is considered for the effective mechanical properties of the nanocomposite face sheets. The governing equations of equilibrium are derived using minimum principle of total potential energy and then solved by extended Kantorovich method (EKM). The effects of width to thickness ratio and length to width of the sandwich plate, core-to-face sheet thickness ratio, the material length scale parameters, volume fraction of CNT, the angle of skew plate, different boundary conditions and types of cores on the deflection of micro sandwich skew plate are investigated. One of the most important results is the reduction of the deflection by increasing the angle of the micro sandwich skew plate and decreasing the deflection by decreasing the thickness of the structural core. The results of this research can be used in modern construction in the form of reinforced slabs or stiffened plates and also used in construction of bridges, the wing of airplane.
Most of the early studies on plates vibration are focused on two-dimensional theories, these theories reduce the dimensions of problems from three to two by introducing some assumptions in mathematical modeling leading to simpler expressions and derivation of solutions. However, these simplifications inherently bring errors and therefore may lead to unreliable results for relatively thick plates. The main objective of this research paper is to present 3-D elasticity solution for free vibration analysis of continuously graded carbon nanotube-reinforced (CGCNTR) rectangular plates resting on two-parameter elastic foundations. The volume fractions of oriented, straight single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are assumed to be graded in the thickness direction. In this study, an equivalent continuum model based on the Eshelby-Mori-Tanaka approach is employed to estimate the effective constitutive law of the elastic isotropic medium (matrix) with oriented, straight carbon nanotubes (CNTs). The proposed rectangular plates have two opposite edges simply supported, while all possible combinations of free, simply supported and clamped boundary conditions are applied to the other two edges. The formulations are based on the three-dimensional elasticity theory. A semi-analytical approach composed of differential quadrature method (DQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. The fast rate of convergence of the method is demonstrated and comparison studies are carried out to establish its very high accuracy and versatility. The 2-D differential quadrature method as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. The convergence of the method is demonstrated and to validate the results, comparisons are made between the present results and results reported by well-known references for special cases treated before, have confirmed accuracy and efficiency of the present approach. The novelty of the present work is to exploit Eshelby-Mori-Tanaka approach in order to reveal the impacts of the volume fractions of oriented CNTs, different CNTs distributions, various coefficients of foundation and different combinations of free, simply supported and clamped boundary conditions on the vibrational characteristics of CGCNTR rectangular plates. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
This work reports wave propagation in the nanocomposite cylinders that reinforced by straight single-walled carbon nanotubes based on a mesh-free method. Moving least square shape functions have been used for approximation of displacement field in weak form of motion equation. The straight carbon nanotubes (CNTs) are assumed to be oriented in specific or random directions or locally aggregated into some clusters. In this simulation, an axisymmetric model is used and also the volume fractions of the CNTs and clusters are assumed to be functionally graded along the thickness. So, material properties of the carbon nanotube reinforced composite cylinders are variable and estimated based on the Eshelby-Mori-Tanaka approach. The effects of orientation, aggregation and volume fractions of the functionally graded clusters and CNTs on dynamic behavior of nanocomposite cylinders are studied. This study results show that orientation and aggregation of CNTs have significant effects on the effective stiffness and dynamic behaviors.
Herein, the thermo-magneto-elastic wave dispersion answers of functionally graded (FG) double-nanobeam systems (DNBSs) are surveyed implementing a nonlocal strain gradient theory (NSGT). The kinematic relations are derived employing the classical beam theory. Also, scale influences are covered precisely in the framework of NSGT. Moreover, Mori-Tanaka homogenization model is introduced in order to obtain the effective material properties of FG nanobeams. Meanwhile, effects of external forces such as thermal and Lorentz forces are included in this research. Also, based upon the Hamilton's principle, the Euler-Lagrange equations are developed; afterwards, these equations are incorporated with those of NSGT to reach the nonlocal governing equations of FG-DNBSs. Furthermore, according to an analytical approach, the governing equations are solved to obtain the wave frequencies and phase velocities of FG-DNBSs. At the end, some illustrations are rendered to clarify the influences of a wide range of involved parameters.
The theoretical modeling to predict the modulus of elasticity by the shape memory effect of dispersed particles in a metal matrix composite was studied. The modeling approach is based on the Eshelbys equivalent inclusion method and Mori-Tanakas mean field theory. The calculation was performed on the TiNi particle dispersed Al metal matrix composites(PDMMC) with varying volume fractions and prestrains of the particle. It was found that the prestrain has no effect on the Yonugs modulus of PDMMC but the volume fraction does affects it. This approach has an advantage of definite control of Youngs modulus in PDMMCs.
In the present work, by considering the agglomeration effect of single-walled carbon nanotubes, free vibration characteristics of functionally graded (FG) nanocomposite sandwich plates resting on Pasternak foundation are presented. The volume fractions of randomly oriented agglomerated single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are assumed to be graded in the thickness direction. To determine the effect of CNT agglomeration on the elastic properties of CNT-reinforced composites, a two-parameter micromechanical model of agglomeration is employed. In this research work, an equivalent continuum model based on the Eshelby-Mori-Tanaka approach is employed to estimate the effective constitutive law of the elastic isotropic medium (matrix) with oriented straight CNTs. The 2-D generalized differential quadrature method (GDQM) as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the equations of motion and to implement the various boundary conditions. The proposed rectangular plates have two opposite edges simply supported, while all possible combinations of free, simply supported and clamped boundary conditions are applied to the other two edges. The benefit of using the considered power-law distribution is to illustrate and present useful results arising from symmetric and asymmetric profiles. The effects of two-parameter elastic foundation modulus, geometrical and material parameters together with the boundary conditions on the frequency parameters of the laminated FG nanocomposite plates are investigated. It is shown that the natural frequencies of structure are seriously affected by the influence of CNTs agglomeration. This study serves as a benchmark for assessing the validity of numerical methods or two-dimensional theories used to analysis of laminated plates.
In this study, nonlinear response of laminated functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) plate under low-velocity impact based on the Eshelby-Mori-Tanaka approach in thermal conditions is studied. The governing equations are derived based on higher-order shear deformation plate theory (HSDT) under von $K\acute{a}rm\acute{a}n$ geometrical nonlinearity assumptions. The finite element method with 15 DOF at each node and Newmark's numerical integration method is applied to solve the governing equations. Four types of distributions of the uniaxially aligned reinforcement material through the thickness of the plates are considered. Material properties of the CNT and matrix are assumed to be temperature dependent. Contact force between the impactor and the laminated plate is obtained with the aid of the modified nonlinear Hertzian contact law models. In the numerical example, the effect of layup (stacking sequence) and lamination angle as well as the effect of temperature variations, distribution of CNTs, volume fraction of the CNTs, the mass and the velocity of the impactor in a constant energy level and boundary conditions on the impact response of the CNTRC laminated plates are investigated in details.
Zhao, Li-Cai;Chen, Shi-Shuenn;Xu, Yi-Peng;Tahouneh, Vahid
Steel and Composite Structures
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제38권5호
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pp.477-496
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2021
The main objective of this paper is to study vibration of sandwich open cylindrical panel with damaged core and FG face sheets based on three-dimensional theory of elasticity. The structures are made of a damaged isotropic core and two external face sheets. These skins are strengthened at the nanoscale level by randomly oriented Carbon nanotubes (CNTs) and are reinforced at the microscale stage by oriented straight fibers. These reinforcing phases are included in a polymer matrix and a three-phase approach based on the Eshelby-Mori-Tanaka scheme and on the Halpin-Tsai approach, which is developed to compute the overall mechanical properties of the composite material. Three complicated equations of motion for the panel under consideration are semi-analytically solved by using 2-D differential quadrature method. Several parametric analyses are carried out to investigate the mechanical behavior of these multi-layered structures depending on the damage features, through-the-thickness distribution and boundary conditions. It is seen that for the large amount of power-law index "P", increasing this parameter does not have significant effect on the non-dimensional natural frequency parameters of the FG sandwich curved panel. Results indicate that by increasing the value of isotropic damage parameter "D" up to the unity (fully damaged core) the frequency would tend to become zero. One can dictate the fiber variation profile through the radial direction of the sandwich panel via the amount of "P", "b" and "c" parameters. It should be noticed that with increase of volume fraction of fibers, the frequency parameter of the panels does not increase necessarily, so by considering suitable amounts of power-law index "P" and the parameters "b" and "c", one can get dynamic characteristics similar or better than the isotropic limit case for laminated FG curved panels.
The main goal of this paper is to study the vibration of damaged core laminated annular plates with FG face sheets based on a three-dimensional theory of elasticity. The structures are made of a damaged isotropic core and two external face sheets. These skins are strengthened at the nanoscale level by randomly oriented Carbon nanotubes (CNTs) and are reinforced at the microscale stage by oriented straight fibers. These reinforcing phases are included in a polymer matrix and a three-phase approach based on the Eshelby-Mori-Tanaka scheme and on the Halpin-Tsai approach, which is developed to compute the overall mechanical properties of the composite material. In this study the effect of microcracks on the vibrational characteristic of the sandwich plate is considered. In particular, the structures are made by an isotropic core that undergoes a progressive uniform damage, which is modeled as a decay of the mechanical properties expressed in terms of engineering constants. These defects are uniformly distributed and affect the central layer of the plates independently from the direction, this phenomenon is known as "isotropic damage" and it is fully described by a scalar parameter. Three complicated equations of motion for the sectorial plates under consideration are semi-analytically solved by using 2-D differential quadrature method. Using the 2-D differential quadrature method in the r- and z-directions, allows one to deal with sandwich annular plate with arbitrary thickness distribution of material properties and also to implement the effects of different boundary conditions of the structure efficiently and in an exact manner. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. The sandwich annular plate is assumed to have any arbitrary boundary conditions at the circular edges including simply supported, clamped and, free. Several parametric analyses are carried out to investigate the mechanical behavior of these multi-layered structures depending on the damage features, through-the-thickness distribution, and boundary conditions.
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