A refined higher-order shear deformation theory for bending, vibration and buckling analysis of functionally graded sandwich plates is presented in this paper. It contains only four unknowns, accounts for a hyperbolic distribution of transverse shear stress and satisfies the traction free boundary conditions. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. The Navier-type and finite element solutions are derived for plate with simply-supported and various boundary conditions, respectively. Numerical examples are presented for functionally graded sandwich plates with homogeneous hardcore and softcore to verify the validity of the developed theory. It is observed that the present theory with four unknowns predicts the response accurately and efficiently.
This paper presents an analytical study of wave propagation in simply supported graduated functional plates resting on a two-parameter elastic foundation (Pasternak model) using a new theory of high order shear strain. Unlike other higher order theories, the number of unknowns and governing equations of the present theory is only four unknown displacement functions, which is even lower than the theory of first order shear deformation (FSDT). Unlike other elements, the present work includes a new field of motion, which introduces indeterminate integral variables. The properties of the materials are assumed to be ordered in the thickness direction according to the two power law distributions in terms of volume fractions of the constituents. The wave propagation equations in FG plates are derived using the principle of virtual displacements. The analytical dispersion relation of the FG plate is obtained by solving an eigenvalue problem. Numerical examples selected from the literature are illustrated. A good agreement is obtained between the numerical results of the current theory and those of reference. A parametric study is presented to examine the effect of material gradation, thickness ratio and elastic foundation on the free vibration and phase velocity of the FG plate.
Meradjah, Mustapha;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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v.18
no.3
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pp.793-809
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2015
In this scientific work, constructing of a novel shear deformation beam model including the stretching effect is of concern for flexural and free vibration responses of functionally graded beams. The particularity of this model is that, in addition to considering the transverse shear deformation and the stretching effect, the zero transverse shear stress condition on the beam surface is assured without introducing the shear correction parameter. By employing the Hamilton's principle together with the concept of the neutral axe's position for such beams, the equations of motion are obtained. Some examples are performed to demonstrate the effects of changing gradients, thickness stretching, and thickness to length ratios on the bending and vibration of functionally graded beams.
The current research presents a buckling analysis of isotropic and orthotropic plates by proposing a new four variable refined plate theory. Contrary to the existing higher order shear deformation theories (HSDT) and the first shear deformation theory (FSDT), the proposed model uses a new displacement field which incorporates undetermined integral terms and involves only four variables. The governing equations for buckling analysis are deduced by utilizing the principle of virtual works. The analytical solution of a simply supported rectangular plate under the axial loading has been determined via the Navier method. Numerical investigations are performed by using the proposed model and the obtained results are compared with CPT solutions, FSDT solutions, and the existing exact solutions in the literature. It can be concluded that the developed four variable refined plate theory, which does not use shear correction coefficient, is not only simple but also comparable to the FSDT.
In this work, the bending and free vibration analysis of multilayered plates and shells is presented by utilizing a new higher order shear deformation theory (HSDT). The proposed involves only four unknowns, which is even less than the first shear deformation theory (FSDT) and without requiring the shear correction coefficient. Unlike the conventional HSDTs, the present one presents a novel displacement field which incorporates undetermined integral variables. The equations of motion are derived by using the Hamilton's principle. These equations are then solved via Navier-type, closed form solutions. Bending and vibration results are found for cylindrical and spherical shells and plates for simply supported boundary conditions. Bending and vibration problems are treated as individual cases. Panels are subjected to sinusoidal, distributed and point loads. Results are presented for thick to thin as well as shallow and deep shells. The computed results are compared with the exact 3D elasticity theory and with several other conventional HSDTs. The proposed HSDT is found to be precise compared to other several existing ones for investigating the static and dynamic response of isotropic and multilayered composite shell and plate structures.
This paper presents a new block stiffness matrix for the analysis an orthogonal Cartesian coordinate system. The displacement fields are defined using the first order shear deformable beam theory. The longitudinal displacement can be expressed as the sum of the projected plane deformation of the cross-section due to Timoshenko's beam theory and axial warping deformation due to modified Vlasov's thin-waled beam theory. The derived element takes into account flexural shear deformation and torsional warping deformation. Three different types of beam elements, namely, the two-noded, three-noded, and four-noded beam elements, are developed. The quadratic and cubic elements are found to be very efficient for the flexural analysis of laminated composite beams. The versatility and accuracy of the new element are demonstrated by comparing the numerical results available in the literature.
A new higher shear deformation theory (HSDT) is presented for the thermal buckling behavior of functionally graded (FG) sandwich plates. It uses only four unknowns, which is even less than the first shear deformation theory (FSDT) and the conventional HSDTs. The theory considers a hyperbolic variation of transverse shear stress, respects the traction free boundary conditions and contrary to the conventional HSDTs, the present one presents a new displacement field which includes undetermined integral terms. Material characteristics and thermal expansion coefficient of the sandwich plate faces are considered to be graded in the thickness direction according to a simple power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The core layer is still homogeneous and made of an isotropic material. The thermal loads are supposed as uniform, linear and non-linear temperature rises within the thickness direction. An energy based variational principle is used to derive the governing equations as an eigenvalue problem. The validation of the present work is carried out with the available results in the literature. Numerical results are presented to demonstrate the influences of variations of volume fraction index, length-thickness ratio, loading type and functionally graded layers thickness on nondimensional thermal buckling loads.
In this paper, a new higher order shear deformation model is developed for static analysis of functionally graded beams with considering porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication. The model account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the beam without using shear correction factors. The present work aims to study the effect of the distribution forms of porosity on the bending of simply supported FG beam. Based on the present higher-order shear deformation model, the equations of motion are derived by the principle of virtual works. Navier type solution method was used to obtain displacement and stresses, and the numerical results are compared with those available in the literature. A comprehensive parametric study is carried out to assess the effects of volume fraction index, porosity fraction index, and geometry on the bending of imperfect FG beams. It can be concluded that the proposed model is simple and precise for the resolution of the behavior of flexural FGM beams while taking into account the shape of distribution of the porosity.
A new quasi-3D higher shear deformation theory (quasi-3D HSDT) for functionally graded plates is proposed in this article. The theory considers both shear deformation and thickness-stretching influences by a hyperbolic distribution of all displacements within the thickness, and respects the stress-free boundary conditions on the upper and lower surfaces of the plate without using any shear correction factor. The highlight of the proposed theory is that it uses undetermined integral terms in displacement field and involves a smaller number of variables and governing equations than the conventional quasi-3D theories, but its solutions compare well with 3D and quasi-3D solutions. Equations of motion are obtained from the Hamilton principle. Analytical solutions for buckling and dynamic problems are deduced for simply supported plates. Numerical results are presented to prove the accuracy of the proposed theory.
The focus of this paper is to develop an analytical approach based on an efficient shear deformation theory with stretching effect for bending stress analysis of cross-ply laminated composite plates subjected to transverse parabolic load and line load by using a new kinematic model, in which the axial displacements involve an undetermined integral component in order to reduce the number of unknowns and a sinusoidal function in terms of the thickness coordinate to include the effect of transverse shear deformation. The present theory contains only five unknowns and satisfies the zero shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using any shear correction factors. The governing differential equations and its boundary conditions are derived by employing the static version of principle of virtual work. Closed-form solutions for simply supported cross-ply laminated plates are obtained applying Navier's solution technique, and the numerical case studies are compared with the theoretical results to verify the utility of the proposed model. Lastly, it can be seen that the present outlined theory is more accurate and useful than some higher-order shear deformation theories developed previously to study the static flexure of laminated composite plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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