In this work, transient thermo-piezo-elastic responses of an infinite functionally graded piezoelectric (FGPE) plate whose upper surface suffers time-dependent thermal shock are investigated in the context of different thermo-piezo-elastic theories. The thermal and mechanical properties of functionally graded piezoelectric plate under consideration are expressed as power functions of plate thickness variable. The solution of problem is obtained by solving the corresponding finite element governing equations in time domain directly. Transient thermo-piezo-elastic responses of the FGPE plate, including temperature, stress, displacement, electric intensity and electric potential are presented graphically and analyzed carefully to show multi-field coupling behaviors between them. In addition, the effects of functionally graded parameters on transient thermo-piezo-elastic responses are also investigated to provide a theoretical basis for the application of the FGPE materials.
In this paper, bending-stretching analysis of thick functionally graded piezoelectric rectangular plates is studied using the higher-order shear and normal deformable plate theory. On the basis of this theory, Legendre polynomials are used for approximating the components of displacement field. Also, the effects of both normal and shear deformations are encountered in the theory. The governing equations are derived using the principle of virtual work and variational approach. It is assumed that plate is made of piezoelectric materials with functionally graded distribution of material properties. Hence, exponential function is used to modify mechanical and electrical properties through the thickness of the plate. Finally, the effect of material properties, electrical boundary conditions and dimensions are investigated on the static response of plate. Also, it is shown that results of the presented model are close to the three dimensional elasticity solutions.
Using the theory of linear piezoelectricity, the dynamic response of a central crack in a functionally graded piezoelectric ceramic under anti-plane shear impact is analyzed. We assume that the properties of the functionally graded piezoelectric material vary continuously along the thickness. By using the Laplace and Fourier transform, the problem is reduced to two pairs of dual integral equations and then into Fredholm integral equations of the second kind. Numerical values on the dynamic stress intensity factors are presented to show the dependence of the gradient of material properties and electric loading.
The present paper develops piezo-thermo-elastic analysis of a thick spherical shell for generalized functionally graded piezoelectric material. The assumed structure is loaded under thermal, electrical and mechanical loads. The mechanical, thermal and electrical properties are graded along the radial direction based on a power function with three different non homogenous indexes. Primarily, the non homogenous heat transfer equation is solved by applying the general boundary conditions, individually. Substitution of stress, strain, electrical displacement and material properties in equilibrium and Maxwell equations present two non homogenous differential equation of order two. The main objective of the present study is to improve the relations between mechanical and electrical loads in hollow spherical shells especially for functionally graded piezoelectric materials. The obtained results can evaluate the effect of every non homogenous parameter on the mechanical and electrical components.
The present paper deals with the analytical solution of a functionally graded piezoelectric (FGP) cylinder in the magnetic field under mechanical, thermal and electrical loads. All mechanical, thermal and electrical properties except Poisson ratio can be varied continuously and gradually along the thickness direction of the cylinder based on a power function. The cylinder is assumed to be axisymmetric. Steady state heat transfer equation is solved by considering the appropriate boundary conditions. Using Maxwell electro dynamic equation and assumed magnetic field along the axis of the cylinder, Lorentz's force due to magnetic field is evaluated for non homogenous state. This force can be employed as a body force in the equilibrium equation. Equilibrium and Maxwell equations are two fundamental equations for analysis of the problem. Comprehensive solution of Maxwell equation is considered in the present paper for general states of non homogeneity. Solution of governing equations may be obtained using solution of the characteristic equation of the system. Achieved results indicate that with increasing the non homogenous index, different mechanical and electrical components present different behaviors along the thickness direction. FGP can control the distribution of the mechanical and electrical components in various structures with good precision. For intelligent properties of functionally graded piezoelectric materials, these materials can be used as an actuator, sensor or a component of piezo motor in electromechanical systems.
An analytical solution of the buckling governing equations of functionally graded piezoelectric (FGP) nanobeams obtained by using a developed third-order shear deformation theory is presented. Electro-mechanical properties of FGP nanobeam are supposed to change continuously in the thickness direction based on power-law model. To capture the small size effects, Eringen's nonlocal elasticity theory is adopted. Employing Hamilton's principle, the nonlocal governing equations of a FG nanobeams made of piezoelectric materials are obtained and they are solved using Navier-type analytical solution. Results are provided to show the effect of different external electric voltage, power-law index, nonlocal parameter and slenderness ratio on the buckling loads of the size-dependent FGP nanobeams. The accuracy of the present model is verified by comparing it with nonlocal Timoshenko FG beams. So, this study makes the first attempt for analyzing buckling behavior of higher order shear deformable FGP nanobeams.
In this article, based on the higher-order shear deformation plate theory, buckling analysis of a rectangular plate made of functionally graded piezoelectric materials and its effective parameters are investigated. Assuming the transverse distribution of electric potential to be a combination of a parabolic and a linear function of thickness coordinate, the equilibrium equations for the buckling analysis of an FGP rectangular plate are established. In addition to the Maxwell equation, all boundary conditions including the conditions on the top and bottom surfaces of the plate for closed and open circuited are satisfied. Considering double sine solution (Navier solution) for displacement field and electric potential, an analytical solution is obtained for full simply supported boundary conditions. The accurate buckling load of FGP plate is presented for both open and closed circuit conditions. It is found that the critical buckling load for open circuit is more than that of closed circuit in all loading conditions. Furthermore, it is observed that the influence of dielectric constants on the critical buckling load is more than those of others.
We consider the problem of determining the singular stresses and electric fields in a functionally graded piezoelectric ceramic strip containing a Griffith eccentric crack under anti-plane shear loading with the theory of linear piezoelectricity. Fourier transforms are used to reduce the problem to the solution of two pairs of dual integral equations, which are then expressed to a Fredholm integral equation of the second kind. Numerical values on the stress intensity factor and the energy release rate are obtained.
In the present paper, thermal buckling characteristics of functionally graded rectangular plates made of porous material that are integrated with surface-bonded piezoelectric actuators subjected to the combined action of thermal load and constant applied actuator voltage are investigated by utilizing a Navier solution method. The uniform temperature rise loading is considered. Thermomechanical material properties of FGM plates are assumed to be temperature independent and supposed to vary through thickness direction of the constituents according to power-law distribution (P-FGM) which is modified to approximate the porous material properties with even and uneven distributions of porosities phases. The governing differential equations of stability for the piezoelectric FGM plate are derived based on higher order shear deformation plate theory. Influences of several important parameters on the critical thermal buckling temperature are investigated and discussed in detail.
A unified formulation of finite layer methods (FLMs), based on the Reissner mixed variational theorem (RMVT), is developed for the three-dimensional (3D) coupled electro-elastic analysis of simply-supported, functionally graded piezoelectric material (FGPM) plates with open- and closed-circuit surface conditions and under electro-mechanical loads. In this formulation, the material properties of the plate are assumed to obey an exponent-law varying exponentially through the thickness coordinate, and the plate is divided into a number of finite rectangular layers, in which the trigonometric functions and Lagrange polynomials are used to interpolate the in- and out-of-plane variations of the primary field variables of each individual layer, respectively, such as the elastic displacement, transverse shear and normal stress, electric potential, and normal electric displacement components. The relevant orders used for expanding these variables in the thickness coordinate can be freely chosen as the linear, quadratic and cubic orders. Four different mechanical/electrical loading conditions applied on the top and bottom surfaces of the plate are considered, and the corresponding coupled electro-elastic analysis of the loaded FGPM plates is undertaken. The accuracy and convergence rate of the RMVT-based FLMs are assessed by comparing their solutions with the exact 3D piezoelectricity ones available in the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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