In this paper Timoshenko beam theory is employed to investigate the vibration characteristics of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) Beams with a stiff core in thermal environment. The material characteristic of carbon nanotubes (CNT) are supposed to change in the thickness direction in a functionally graded form. They can also be calculated through a micromechanical model where the CNT efficiency parameter is determined by matching the elastic modulus of CNTRCs calculated from the rule of mixture with those gained from the molecular dynamics simulations. The differential transform method (DTM) which is established upon the Taylor series expansion is one of the effective mathematical techniques employed to the differential governing equations of sandwich beams. Effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, different thermal environment and various boundary conditions on the free vibration characteristics of FG-CNTRC sandwich beams are studied. It is observed that vibration response of FG-CNTRC sandwich beams is prominently influenced by these parameters.
In this study, free vibration and damping behaviors of multilayered symmetric sandwich beams and single layered beams made of Functionally Graded Materials were investigated, experimentally and numerically. The beams were composed of Aluminum and Silicon Carbide powders and they were produced by powder metallurgy. Three beam models were used in the experiments. The first model was isotropic, homogeneous beams produced by using different mixing ratios. In the second model, the pure metal layers were taken in the middle of the beam and the weight fraction of the ceramic powder of each layer was increased towards to the surfaces of the beam in the thickness direction. In the third model, the pure metal layers were taken in the surfaces of the beam and the weight fraction of the ceramic powder of each layer was increased towards to middle of the beam. Then the vibration tests were performed. Consequently, the effects of stacking sequence and mixing ratio on the natural frequencies and damping responses of functionally graded beams were discussed from the results obtained. Furthermore, the results obtained from the tests were supported with a finite-element-based commercial program, and it was found to be in harmony.
Thermo-mechanical vibration of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) is investigated within the framework of Timoshenko beam theory. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture and are considered to be temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and are solved using an efficient semi-analytical technique of the differential transform method (DTM). Comparison between the results of the present work and those available in literature shows the accuracy of this method. A parametric study is conducted to study the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and various boundary conditions on free vibration behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. It is explicitly shown that the vibration characteristics of the curved nanosize beams are significantly influenced by the surface density effects.
Thermo-mechanical buckling of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) within the framework of Timoshenko beam theory is presented. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. Also the properties of these materials should be considered temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and solved using an efficient technique called the Differential Transform Method (DTM) to achieve the critical buckling of the sandwich beam in uniform thermal environment. A detailed parametric study is guided to investigate the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and clamped-clamped, simply-simply and clamped-simply end supports on the critical buckling behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. Numerical results for comparison of sandwich beams with uniformly distributed carbon nanotube-reinforced composite (UD-CNTRC) face sheets with those with FG-CNTRC face sheets are also presented.
In this article, a nonlocal stress-strain elasticity theory on the vibration analysis of Timoshenko sandwich beam theory with symmetric and asymmetric distributions of porous core and functionally graded material facesheets is introduced. According to nonlocal elasticity Eringen's theory (nonlocal stress elasticity theory), the stress at a reference point in the body is dependent not only on the strain state at that point, but also on the strain state at all of the points throughout the body; while, according to a new nonlocal strain elasticity theory, the strain at a reference point in the body is dependent not only on the stress state at that point, but also on the stress state at all of the points throughout the body. Also, with combinations of two concepts, the nonlocal stress-strain elasticity theory is defined that can be actual at micro/nano scales. It is concluded that the natural frequency decreases with an increase in the nonlocal stress parameter; while, this effect is vice versa for nonlocal strain elasticity, because the stiffness of Timoshenko sandwich beam decreases with increasing of the nonlocal stress parameter; in which, the nonlocal strain parameter leads to increase the stiffness of structures at micro/nano scale. It is seen that the natural frequency by considering both nonlocal stress parameter and nonlocal strain parameter is higher than the nonlocal stress parameter only and lower for a nonlocal strain parameter only.
In the present research, dynamic deflections of a sandwich beam having functionally graded (FG) porous core have been investigated assuming that the sandwich beam is exposed to a pulse load of blast type. The two layers of sandwich beam have been made of a polymeric matrix reinforced by graphene oxide powder (GOP). The micromechanical formulation of the layers has been done via Halpin-Tsai model. The solution method is chosen to be Ritz method which is an efficient method to solve the system of equations of beams modeled based on a higher-order theory. To derive the time history of sandwich beam under pulse load, Laplace method has been used. The porosity content of the core, the GOP content of the layers, thickness of the layer and also duration of the applied load have great influences of the responses of sandwich beam.
In this paper, an accurate kinematic model has been developed to study the mechanical response of functionally graded (FG) sandwich beams, mainly covering the bending, buckling and free vibration problems. The studied structure with homogeneous hardcore and softcore is considered to be simply supported in the edges. The present model uses a new refined shear deformation beam theory (RSDBT) in which the displacement field is improved over the other existing high-order shear deformation beam theories (HSDBTs). The present model provides good accuracy and considers a nonlinear transverse shear deformation shape function, since it is constructed with only two unknown variables as the Euler-Bernoulli beam theory but complies with the shear stress-free boundary conditions on the upper and lower surfaces of the beam without employing shear correction factors. The sandwich beams are composed of two FG skins and a homogeneous core wherein the material properties of the skins are assumed to vary gradually and continuously in the thickness direction according to the power-law distribution of volume fraction of the constituents. The governing equations are drawn by implementing Hamilton's principle and solved by means of the Navier's technique. Numerical computations in the non-dimensional terms of transverse displacement, stresses, critical buckling load and natural frequencies obtained by using the proposed model are compared with those predicted by other beam theories to confirm the performance of the proposed theory and to verify the accuracy of the kinematic model.
Aman, Garg;Mohamed-Ouejdi, Belarbi;Li, Li;Hanuman D., Chalak;Abdelouahed, Tounsi
Structural Engineering and Mechanics
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v.85
no.2
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pp.217-231
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2023
The bending analysis of sandwich functionally graded (FG) beams under temperature circumstances is performed in this article utilizing Navier's solution-based parabolic shear deformation theory. For the first time, a comparative study has been carried out between the exponential and sigmoidal sandwich FGM beams under thermal conditions. During this investigation, temperature-dependent material characteristics are postulated. Both symmetric and unsymmetric sandwich examples have been studied. The effect of gradation law, gradation coefficient, and thickness scheme on beam behavior has been thoroughly investigated. Three possible temperature combinations at the top and bottom surfaces of the beam are also investigated. Beams with a higher proportion of ceramic to metal are shown to be more resistant to thermal stresses than beams with a higher proportion of metal.
This paper presents the mechanical buckling of bi-directional functionally graded sandwich beams (BFGSW) with various boundary conditions employing a quasi-3D beam theory, including an integral term in the displacement field, which reduces the number of unknowns and governing equations. The beams are composed of three layers. The core is made from two constituents and varies across the thickness; however, the covering layers of the beams are made of bidirectional functionally graded material (BFGSW) and vary smoothly along the beam length and thickness directions. The power gradation model is considered to estimate the variation of material properties. The used formulation reflects the transverse shear effect and uses only three variables without including the correction factor used in the first shear deformation theory (FSDT) proposed by Timoshenko. The principle of virtual forces is used to obtain stability equations. Moreover, the impacts of the control of the power-law index, layer thickness ratio, length-to-depth ratio, and boundary conditions on buckling response are demonstrated. Our contribution in the present work is applying an analytical solution to investigate the stability behavior of bidirectional FG sandwich beams under various boundary conditions.
The aim of this paper is to investigate the free vibration behavior of the micro sandwich beam composing of five layers such as functionally graded (FG) porous core, nanocomposite reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and piezomagnetic/piezoelectric layers subjected to magneto electrical potential resting on silica aerogel foundation. The effect of foundation has been taken into account using Vlasov model in addition to rigid base assumption. For this purpose, an iterative technique is applied. The material properties of the FG porous core and FG nanocomposite layers are considered to vary throughout the thickness direction of the beams. Based on the Timoshenko beam theory and Hamilton's principle, the governing equations of motion for the micro sandwich beam are obtained. The Navier's type solution is utilized to obtain analytical solutions to simply supported micro sandwich beam. Results are verified with corresponding literatures. In the following, a study is carried out to find the effects of the porosity coefficient, porous distribution, volume fraction of CNT, the thickness of silica aerogel foundation, temperature and moisture, geometric parameters, electric and magnetic potentials on the vibration of the micro sandwich beam. The results are helpful for the design and applications of micro magneto electro mechanical systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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