An enhanced first shear deformation theory for composite plate is developed. The detailed process is as follows. Firstly, the theory is formulated by modifying higher order zigzag theory. That is, the higher order theory is separated into the warping function representing the higher order terms and lower order terms. Secondly, the relationships between higher order zig-zag field and averaged first shear deformation field based on the Reissner-Mindlin's plate theory are derived. Lastly, the effective shear modulus is calculated by minimizing error between higher order energy and first order energy. Then the governing equation of FSDT is solved by substituting shear modulus into effective shear modulus. The recovery processing with the nodal unknown obtained from governing equation is performed. The accuracy of the present proposed theory is demonstrated through numerical examples. The proposed method will serve as a powerful tool in the prediction of laminated composite plate.
Bouderba, Bachir;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Structural Engineering and Mechanics
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제58권3호
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pp.397-422
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2016
In the present work, a simple first-order shear deformation theory is developed and validated for a variety of numerical examples of the thermal buckling response of functionally graded sandwich plates with various boundary conditions. Contrary to the conventional first-order shear deformation theory, the present first-order shear deformation theory involves only four unknowns and has strong similarities with the classical plate theory in many aspects such as governing equations of motion, and stress resultant expressions. Material properties and thermal expansion coefficient of the sandwich plate faces are assumed 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 considered as uniform, linear and non-linear temperature rises within the thickness direction. The results reveal that the volume fraction index, loading type and functionally graded layers thickness have significant influence on the thermal buckling of functionally graded sandwich plates. Moreover, numerical results prove that the present simple first-order shear deformation theory can achieve the same accuracy of the existing conventional first-order shear deformation theory which has more number of unknowns.
This paper proposes a bending analysis for a functionally graded piezoelectric (FGP) plate through utilizing a two-variable shear deformation plate theory under simply-supported edge conditions. The number of unknown functions used in this theory is only four. The electric potential distribution is assumed to be a combination of a cosine function along the cartesian coordinate. Applying the analytical solutions of FGP plate by using Navier's approach and the principle of virtual work, the equilibrium equations are derived. The paper also discusses thoroughly the impact of applied electric voltage, plate's aspect ratio, thickness ratio and inhomogeneity parameter. Results are compared with the analytical solution obtained by classical plate theory, first-order-shear deformation theory, higher-order shear deformation plate theories and quasi-three-dimensional sinusoidal shear deformation plate theory.
In a whole variety of higher order plate theories existing in the literature no consideration is given to the transverse normal strain / deformation effects on flexural response when these higher order theories are applied to shear flexible composite plates in view of minimizing the number of unknown variables. The objective of this study is to carry out cylindrical bending of simply supported laminated composite and sandwich plates using sinusoidal shear and normal deformation plate theory. The most important feature of the present theory is that it includes the effects of transverse normal strain/deformation. The displacement field of the presented theory is built upon classical plate theory and uses sine and cosine functions in terms of thickness coordinate to include the effects of shear deformation and transverse normal strain. The theory accounts for realistic variation of the transverse shear stress through the thickness and satisfies the shear stress free conditions at the top and bottom surfaces of the plate without using the problem dependent shear correction factor. Governing equations and boundary conditions of the theory are obtained using the principle of minimum potential energy. The accuracy of the proposed theory is examined for several configurations of laminates under various static loadings. Some problems are presented for the first time in this paper which can become the base for future research. For the comparison purpose, the numerical results are also generated by using higher order shear deformation theory of Reddy, first-order shear deformation plate theory of Mindlin and classical plate theory. The numerical results show that the present theory provides displacements and stresses very accurately as compared to those obtained by using other theories.
In the present analysis, the spline finite strip with higher-order shear deformation is formulated for the static analysis of piezoelectric composite plates. The proposed method incorporates Reddy's third-order shear deformation theory, Touratier's "Sine" model, Afaq's exponential model, Cho's higher-order zigzag laminate theory, as well as the classic plate theory and the first-order plate theory. Thus, the analysis can be conducted based on any of the above-mentioned theories. The selection of a specific method is done by simply changing a few terms in a 2 by 2 square matrix and the results, obtained according to different plate theories, can be compared to each other. Numerical examples are presented for piezoelectric composite plates subjected to mechanical loading. The results based on different shear deformation theories are compared with the three-dimensional solutions. The behaviours of piezoelectric composite plates with different length-to-thickness ratios, fibre orientations, and boundary conditions are also investigated in these examples.
This paper presents a four-variable first-order shear deformation theory considering in-plane rotation of functionally graded plates. In recent studies, a simple first-order shear deformation theory was developed and extended to functionally graded plates. It has only four variables, separating the deflection into bending and shear parts, while the conventional first-order shear deformation theory has five variables. However, this simple first-order shear deformation theory only provides good predictions for simply supported plates since it does not consider in-plane rotation varying through the thickness of the plates. The present theory also has four variables, but considers the variation of in-plane rotation such that it is able to correctly predict the responses of the plates with any boundary conditions. Analytical solutions are obtained for rectangular plates with various boundary conditions. Comparative studies demonstrate the effects of in-plane rotation and the accuracy of the present theory in predicting the responses of functionally graded plates.
An equivalent single layer trigonometric shear deformation theory taking into account transverse shear deformation effect as well as transverse normal strain effect is presented for static flexure of cross-ply laminated composite and sandwich plates. The inplane displacement field uses sinusoidal function in terms of thickness coordinate to include the transverse shear deformation effect. The cosine function in thickness coordinate is used in transverse displacement to include the effect of transverse normal strain. The kinematics of the present theory is much richer than those of the other higher order shear deformation theories, because if the trigonometric term (involving thickness coordinate z) is expanded in power series, the kinematics of higher order theories (which are usually obtained by power series in thickness coordinate z) are implicitly taken into account to good deal of extent. Governing equations and boundary conditions of the theory are obtained using the principle of virtual work. The closed-form solutions of simply supported cross-ply laminated composite and sandwich plates have been obtained. The results of present theory are compared with those of the classical plate theory (CPT), first order shear deformation theory (FSDT), higher order shear deformation theory (HSDT) of Reddy and exact three dimensional elasticity theory wherever applicable. The results predicted by present theory are in good agreement with those of higher order shear deformation theory and the elasticity theory.
Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Bessaim, Aicha;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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제22권2호
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pp.257-276
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2016
In this paper, a new simple higher-order shear deformation theory for bending and free vibration analysis of functionally graded (FG) plates is developed. The significant feature of this formulation is that, in addition to including a sinusoidal variation of transverse shear strains through the thickness of the plate, it deals with only three unknowns as the classical plate theory (CPT), instead of five as in the well-known first shear deformation theory (FSDT) and higher-order shear deformation theory (HSDT). A shear correction factor is, therefore, not required. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions for the bending and free vibration analysis are obtained for simply supported plates. The accuracy of the present solutions is verified by comparing the obtained results with those predicted by classical theory, first-order shear deformation theory, and higher-order shear deformation theory. Verification studies show that the proposed theory is not only accurate and simple in solving the bending and free vibration behaviours of FG plates, but also comparable with the other higher-order shear deformation theories which contain more number of unknowns.
Hadji, Lazreg;Meziane, M. Ait Amar;Abdelhak, Z.;Daouadji, T. Hassaine;Bedia, E.A Adda
Structural Engineering and Mechanics
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제57권1호
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pp.127-140
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2016
In this paper, a new first shear deformation plate theory based on neutral surface position is developed for the static and the free vibration analysis of functionally graded plates (FGPs). Moreover, the number of unknowns of this theory is the least one comparing with the traditional first-order and the other higher order shear deformation theories. The neutral surface position for a functionally graded plate which its material properties vary in the thickness direction is determined. The mechanical properties of the plate are assumed to vary continuously in the thickness direction by a simple power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. Based on the present shear deformation plate theory and the neutral surface concept, the governing equations are derived from the principle of Hamilton. There is no stretching-bending coupling effect in the neutral surface based formulation. Numerical illustrations concern flexural and dynamic behavior of FG plates with Metal-Ceramic composition. Parametric studies are performed for varying ceramic volume fraction, length to thickness ratios. The accuracy of the present solutions is verified by comparing the obtained results with the existing solutions.
In this paper, an analytical procedure based on the perturbation technique is presented to study the free vibrations of annular viscoelastic plates by considering the first order shear deformation theory as the displacement field. The viscoelastic properties obey the standard linear solid model. The equations of motion are extracted for small deflection assumption using the Hamilton's principle. These equations which are a system of partial differential equations with variable coefficients are solved analytically with the perturbation technique. By using a new variable change, the governing equations are converted to equations with constant coefficients which have the analytical solution and they are appropriate especially to study the sensitivity analysis. Also the natural frequencies are calculated using the classical plate theory and finite elements method. A parametric study is performed and the effects of geometry, material and boundary conditions are investigated on the vibrational behavior of the plate. The results show that the first order shear deformation theory results is more closer than to the finite elements with respect to the classical plate theory for viscoelastic plate. The more results are summarized in conclusion section.
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