This research is devoted to study the effects of humidity and temperature on the bending behavior of functionally graded (FG) ceramic-metal porous plates resting on Pasternak elastic foundation using a quasi-3D hyperbolic shear deformation theory developed recently. The present plate theory with only four unknowns, takes into account both transverse shear and normal deformations and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the functionally graded plate without using shear correction factors. Material properties of porous FG plate are defined by rule of the mixture with an additional term of porosity in the through-thickness direction. The governing differential equations are obtained using the "principle of virtual work". Analytically, the Navier method is used to solve the equations that govern a simply supported FG porous plate. The obtained results are checked by comparing the results determined for the perfect and imperfect FG plates with those available in the scientific literature. Effects due to material index, porosity factors, moisture and thermal loads, foundation rigidities, geometric ratios on the FG porous plate are all examined. Finally, this research will help us to design advanced functionally graded materials to ensure better durability and efficiency for hygro-thermal environments.
In this work, dynamic behavior of functionally graded (FG) porous nano-beams is studied based on nonlocal nth-order shear deformation theory which takes into the effect of shear deformation without considering shear correction factors. It has been observed that during the manufacture of "functionally graded materials" (FGMs), micro-voids and porosities can occur inside the material. Thus, in this work, the investigation of the dynamic analysis of FG beams taking into account the influence of these imperfections is established. Material characteristics of the FG beam are supposed to be vary continuously within thickness direction according to a "power-law scheme" which is modified to approximate material characteristics for considering the influence of porosities. A comparative study with the known results in the literature confirms the accuracy and efficiency of the current nonlocal nth-order shear deformation theory.
Juncheng Fan;Qinyang Li;Sami Muhsen;H. Elhosiny Ali
Computers and Concrete
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v.31
no.2
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pp.139-149
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2023
This article investigates the statically analysis regarding the thermal buckling behavior of a nonuniform small-scale nanobeam made of functionally graded material based on classic beam theories along with the nonlocal Eringen elasticity. The material distribution of functionally graded structures is composed of temperature-dependent ceramic and metal phases in axial and thickness directions, called two-dimensional functionally graded (2D-FG). The partial differential (PD) formulations and end conditions are extracted by using to the conservation energy method. The porosity voids are assumed in the nonuniform functionally graded (FG) structure. The thermal loads are in the axial direction of the beam. The extracted nonlocal PD equations are also solved by employing generalized differential quadrature method (GDQM). Last but not least, the information acquired is used to produce miniature sensors, providing a unique perspective on the growth of nanoelectromechanical systems (NEMS).
In this work, a new hyperbolic shear deformation beam theory is proposed based on a modified couple stress theory (MCST) to investigate the bending and free vibration responses of functionally graded (FG) micro beam made of porous material. This non-classical micro-beam model introduces the material length scale coefficient which can capture the size influence. The non-classical beam model reduces to the classical beam model when the material length scale coefficient is set to zero. The mechanical material properties of the FG micro-beam are assumed to vary in the thickness direction and are estimated through the classical rule of mixture which is modified to approximate the porous material properties with even and uneven distributions of porosities phases. Effects of several important parameters such as power-law exponents, porosity distributions, porosity volume fractions, the material length scale parameter and slenderness ratios on bending and dynamic responses of FG micro-beams are investigated and discussed in detail. It is concluded that these effects play significant role in the mechanical behavior of porous FG micro-beams.
This article presented a nanoscale modified continuum model to investigate the free vibration of functionally graded (FG) porous nanobeam by using finite element method. The main novelty of this manuscript is presenting effects of four different porosity models on vibration behaviors of nonlocal nanobeam structure including size effect, that not be discussed before The proposed porosity models are, uniform porosity distribution, symmetric with mid-plane, bottom surface distribution and top surface distribution. The nano-scale effect is included in modified model by using the differential nonlocal continuum theory of Eringen that adding the length scale into the constitutive equations as a material parameter constant. The graded material is distributed through the beam thickness by a generalized power law function. The beam is simply supported, and it is assumed to be thin. Therefore, the kinematic assumptions of Euler-Bernoulli beam theory are held. The mathematical model is solved numerically using the finite element method. Results demonstrate effects of porosity type, material gradation, and nanoscale parameters on the free vibration of nanobeam. The proposed model is effective in vibration analysis of NEMS structure manufactured by porous functionally graded materials.
Free vibration analysis of multi-directional porous functionally graded (FG) sandwich plate has been performed for two cases namely: FG skin with homogeneous core and FG core with homogeneous skin. Hamilton's principle was employed and the solution was obtained using Navier's technique. This theory imposes traction-free boundary conditions on the surfaces and does not require shear correction factors. The results obtained are validated with those available in the literature. The composition of metal-ceramic-based functionally graded material (FGM) changes in longitudinal and transverse directions according to the power law. Imperfections in the functionally graded material introduced during the fabrication process were modeled with different porosity laws such as evenly, unevenly distributed, and logarithmic uneven distributions. The effect of porosity laws and geometry parameters on the natural frequency was investigated. On comparing the natural frequency of two cases for perfect and imperfect sandwich plates a reverse trend in natural frequency result was seen. The finding shows a multidirectional functionally graded structures perform better compared to uni-directional gradation. Hence, critical grading parameters and imperfection types have been identified which will guide experimentalists and researchers in selecting fabrication routes for improving the performance of such structures.
In this investigation, study of the bending response of functionally graded (FG) porous plates is presented using a cubic shear deformation theory. The properties of the FG-plate vary according to a power-law distribution which is modified to approximate material characteristics for considering the effect of porosities. The equilibrium equations are derived by using the principle of virtual work and solved by using Navier's procedure. Various numerical results are discussed to demonstrate the influence of the variation of the power index, the porosity parameter and the geometric ratios on the bending response of FG porous plates.
In this study the finite element method is utilized to predict the deflection and vibration characteristics of rectangular plates made of saturated porous functionally graded materials (PFGM) within the framework of the third order shear deformation plate theory. Material properties of PFGM plate are supposed to vary continuously along the thickness direction according to the power-law form and the porous plate is assumed of the form where pores are saturated with fluid. Various edge conditions of the plate are analyzed. The governing equations of motion are derived through energy method, using calculus of variations while the finite element model is derived based on the constitutive equation of the porous material. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling and finite element approach can provide accurate deflection and frequency results of the PFGM plates as compared to the previously published results in literature. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as porosity volume fraction, material distribution profile, mode number and boundary conditions on the natural frequencies and deflection of the PFGM plates in detail. It is explicitly shown that the deflection and vibration behaviour of porous FGM plates are significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FGM plates with porosity phases.
The primary objective of this study is to examine the influence of geometry on the stability characteristics of cylindrical microstructures. This investigation entails a stability analysis of a bi-directional functionally graded (BD-FG) cylindrical imperfect concrete beam, focusing on the impact of geometry. Both the first-order shear deformation beam theory and the modified coupled stress theory are employed to explore the buckling and dynamic behaviors of the structure. The cylinder-shaped imperfect beam is constructed using a porosity-dependent functionally graded (FG) concrete material, wherein diverse porosity voids and material distributions are incorporated along the radial axis of the beam. The radius functions are considered in both uniform and nonuniform variations, reflecting their alterations along the length of the beam. The combination of these characteristics leads to the creation of BD-FG configurations. In order to enable the assessment of stability using energy principles, a numerical technique is utilized to formulate the equations for partial derivatives (PDEs).
Ayman E., Nabawy;Ayman M.M., Abdelhaleem;Soliman. S., Alieldin;Alaa A., Abdelrahman
Steel and Composite Structures
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v.45
no.5
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pp.697-713
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2022
In the context of the finite elements method, the dynamic behavior of porous functionally graded double wishbone vehicle suspension structural system incorporating joints flexibility constraints under road bump excitation is studied and analyzed. The functionally graded material properties distribution through the thickness direction is simulated by the power law including the porosity effect. To explore the porosity effects, both classical and adopted porosity models are considered based on even porosity distribution pattern. The dynamic equations of motion are derived based on the Hamiltonian principle. Closed forms of the inertia and material stiffness components are derived. Based on the plane frame isoparametric Timoshenko beam element, the dynamic finite elements equations are developed incorporating joint flexibilities constraints. The Newmark's implicit direct integration methodology is utilized to obtain the transient vibration time response under road bump excitation. The presented procedure is validated by comparing the computational model results with the available numerical solutions and an excellent agreement is observed. Obtained results show that the decrease of porosity percentage and material graduation tends to decrease the deflection as well as the resulting stresses of the control arms thus improving the dynamic performance and increasing the service lifetime of the control arms.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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