Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.553-561
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2015
The exponential and power law functionally graded material(FGM) theory is reformulated considering the refined shear and normal deformation theory. This theory has ability to capture the both normal deformation effect and exponential and power law function in terms of the volume fraction of the constituents for material properties through the plate thickness. Navier's method has been used to solve the governing equations for all edges simply supported plates on Pasternak elastic foundation. Numerical solutions of vibration analysis of FGM plates are presented using this theory to illustrate the effects of power law index and 3-D theory of exponential and power law function on natural frequency. The relations between 3-D and 2-D higher-order shear deformation theory are discussed by numerical results. Further, effects of (i) power law index, (ii) side-to-thickness ratio, and (iii) elastic foundation parameter on nondimensional natural frequency are studied. To validate the present solutions, the reference solutions are discussed.
In this research work, an exact analytical solution for thermal stability of solar functionally graded rectangular plates subjected to uniform, linear and non-linear temperature rises across the thickness direction is developed. It is assumed that the plate rests on two-parameter elastic foundation and its material properties vary through the thickness of the plate as a power function. The neutral surface position for such plate is determined, and the efficient hyperbolic plate theory based on exact neutral surface position is employed to derive the governing stability equations. The displacement field is chosen based on assumptions that the in-plane and transverse displacements consist of bending and shear components, and the shear components of in-plane displacements give rise to the quadratic distribution of transverse shear stress through the thickness in such a way that shear stresses vanish on the plate surfaces. Therefore, there is no need to use shear correction factor. Just four unknown displacement functions are used in the present theory against five unknown displacement functions used in the corresponding ones. The non-linear strain-displacement relations are also taken into consideration. The influences of many plate parameters on buckling temperature difference will be investigated. Numerical results are presented for the present theory, demonstrating its importance and accuracy in comparison to other theories.
This present paper concerned with the analytic modelling for vibration of the functionally graded (FG) plates resting on non-variable and variable two parameter elastic foundation, based on two-dimensional elasticity using higher shear deformation theory. Our present theory has four unknown, which mean that have less than other higher order and lower theory, and we denote do not require the factor of correction like the first shear deformation theory. The indeterminate integral are introduced in the fields of displacement, it is allowed to reduce the number from five unknown to only four variables. The elastic foundations are assumed a classical model of Winkler-Pasternak with uniform distribution stiffness of the Winkler coefficient (kw), or it is with variables distribution coefficient (kw). The variable's stiffness of elastic foundation is supposed linear, parabolic and trigonometry along the length of functionally plate. The properties of the FG plates vary according to the thickness, following a simple distribution of the power law in terms of volume fractions of the constituents of the material. The equations of motions for natural frequency of the functionally graded plates resting on variables elastic foundation are derived using Hamilton principal. The government equations are resolved, with respect boundary condition for simply supported FG plate, employing Navier series solution. The extensive validation with other works found in the literature and our results are present in this work to demonstrate the efficient and accuracy of this analytic model to predict free vibration of FG plates, with and without the effect of variables elastic foundations.
This paper deals with free vibration of FG sandwich annular sector plates on Pasternak elastic foundation with different boundary conditions, based on the three-dimensional theory of elasticity. The plates with simply supported radial edges and arbitrary boundary conditions on their circular edges are considered. The influence of carbon nanotubes (CNTs) waviness, aspect ratio, internal pores and graphene platelets (GPLs) on the vibrational behavior of functionally graded nanocomposite sandwich plates is investigated in this research work. The distributions of CNTs are considered functionally graded (FG) or uniform along the thickness of upper and bottom layers of the sandwich sectorial plates and their mechanical properties are estimated by an extended rule of mixture. In this study, the classical theory concerning the mechanical efficiency of a matrix embedding finite length fibers has been modified by introducing the tube-to-tube random contact, which explicitly accounts for the progressive reduction of the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The core of structure is porous and the internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix of core either uniformly or non-uniformly according to three different patterns. The elastic properties of the nanocomposite are obtained by employing Halpin-Tsai micromechanics model. A semi-analytic approach composed of 2D-Generalized Differential Quadrature Method (2D-GDQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. Some new results for the natural frequencies of the plate are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
The present study examines the natural frequencies (NFs) of perfect/imperfect functionally graded sandwich beams (P/IP-FGSBs), which are composed of a porous core constructed of functionally graded materials (FGMs) and a homogenous isotropic metal and ceramic face sheets resting on elastic foundations. To accomplish this, the material properties of the FGSBs are assumed to vary continuously along the thickness direction as a function of the volume fraction of constituents expressed by the modified rule of the mixture, which includes porosity volume fraction represented using four distinct types of porosity distribution models. Additionally, to characterize the reaction of the two-parameter elastic foundation to the Perfect/Imperfect (P/IP) FGSBs, the medium is assumed to be linear, homogeneous, and isotropic, and it is described using the Winkler-Pasternak model. Furthermore, the kinematic relationship of the P/IP-FGSBs resting on the Winkler-Pasternak elastic foundations (WPEFs) is described using trigonometric shear deformation theory (TrSDT), and the equations of motion are constructed using Hamilton's principle. A closed-form solution is developed for the free vibration analysis of P/IP-FGSBs resting on the WPEFs under four distinct boundary conditions (BCs). To validate the new formulation, extensive comparisons with existing data are made. A detailed investigation is carried out for the effects of the foundation coefficients, mode numbers (MNs), porosity volume fraction, power-law index, span to depth ratio, porosity distribution patterns (PDPs), skin core skin thickness ratios (SCSTR), and BCs on the values of the NFs of the P/IP-FGSBs.
The current study employs the nonlocal Timoshenko beam (NTB) theory and von-Kármán's geometric nonlinearity to develop a non-classic beam model for evaluating the nonlinear free vibration of bi-directional functionally-graded (BFG) nanobeams. In order to avoid the stretching-bending coupling in the equations of motion, the problem is formulated based on the physical middle surface. The governing equations of motion and the relevant boundary conditions have been determined using Hamilton's principle, followed by discretization using the differential quadrature method (DQM). To determine the frequencies of nonlinear vibrations in the BFG nanobeams, a direct iterative algorithm is used for solving the discretized underlying equations. The model verification is conducted by making a comparison between the obtained results and benchmark results reported in prior studies. In the present work, the effects of amplitude ratio, nanobeam length, material distribution, nonlocality, and boundary conditions are examined on the nonlinear frequency of BFG nanobeams through a parametric study. As a main result, it is observed that the nonlinear vibration frequencies are greater than the linear vibration frequencies for the same amplitude of the nonlinear oscillator. The study finds that the difference between the dimensionless linear frequency and the nonlinear frequency is smaller for CC nanobeams compared to SS nanobeams, particularly within the α range of 0 to 1.5, where the impact of geometric nonlinearity on CC nanobeams can be disregarded. Furthermore, the nonlinear frequency ratio exhibits an increasing trend as the parameter µ is incremented, with a diminishing dependency on nanobeam length (L). Additionally, it is established that as the nanobeam length increases, a critical point is reached at which a sharp rise in the nonlinear frequency ratio occurs, particularly within the nanobeam length range of 10 nm to 30 nm. These findings collectively contribute to a comprehensive understanding of the nonlinear vibration behavior of BFG nanobeams in relation to various parameters.
A high-order nonlocal strain gradient model is developed for wave propagation analysis of porous FG nanoplates resting on a gradient hybrid foundation in thermal environment, for the first time. Material properties are assumed to be temperature-dependent and graded in the nanoplate thickness direction. To consider the thermal effects, uniform, linear, nonlinear, exponential, and sinusoidal temperature distributions are considered for temperature-dependent FG material properties. On the basis of the refined-higher order shear deformation plate theory (R-HSDT) in conjunction with the bi-Helmholtz nonlocal strain gradient theory (B-H NSGT), Hamilton's principle is used to derive the equations of wave motion. Then the dispersion relation between frequency and wave number is solved analytically. The influences of various parameters (such as temperature rise, volume fraction index, porosity volume fraction, lower and higher order nonlocal parameters, material characteristic parameter, foundations components, and wave number) on the wave propagation behaviors of porous FG nanoplates are investigated in detail.
Hussain, Muzamal;Naeem, Muhammad Nawaz;Khan, Muhammad Shabaz;Tounsi, Abdelouahed
Computers and Concrete
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v.25
no.5
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pp.411-425
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2020
In this paper, the shell material has been taken as functionally graded material and their material quantity is located by the exponential volume fraction law. Moreover, the impact of ring supports around the shell circumference has been examined for their various positions along the shell axial length. These rings support restraints the radial displacement in the transverse direction. While the axial modal deformation functions have been estimated by characteristic beam functions and nature of materials used for construction of cylindrical shells. The fundamental natural frequency of cylindrical shell of parameter versus ratios of length- and height-to-radius for a wide range has been reported and investigated through the study. In addition, by increasing height-to-radius ratio resulting frequencies also increase and frequencies decrease on ratio of length-to-radius. Though the trends of frequency values of both ratios are converse to each other with three different boundary conditions. Also it is examined the position of ring supports with length-to radius ratio, height-to-radius ratio and varying the exponent of volume fraction. MATLAB software package has been utilized for extracting shell frequency spectra. The obtained results are confirmed by comparing with available literature.
In this paper, the nonlinear vibration behavior of the spiral stiffened multilayer functionally graded (SSMFG) cylindrical shells exposed to the thermal environment and a uniformly distributed harmonic loading using a semi-analytical method is investigated. The cylindrical shell is surrounded by a nonlinear viscoelastic foundation consisting of a two-parameter Winkler-Pasternak foundation augmented by a Kelvin-Voigt viscoelastic model with a nonlinear cubic stiffness. The distribution of temperature and material constitutive of the stiffeners are continuously changed through the thickness direction. The cylindrical shell has three layers consisting of metal, FGM, and ceramic. The interior layer of the cylindrical shell is rich in metal, while the exterior layer is rich in ceramic, and the FG material is located between two layers. The nonlinear vibration problem utilizing the smeared stiffeners technique, the von Kármán equations, and the Galerkin method has been solved. The multiple scales method is utilized to examine the nonlinear vibration behavior of SSMFG cylindrical shells. The considered resonant case is 1:3:9 internal resonance and subharmonic resonance of order 1/3. The influences of different material and geometrical parameters on the vibration behavior of SSMFG cylindrical shells are examined. The results show that the angles of stiffeners, temperature, and elastic foundation parameters have a strong effect on the vibration behaviors of the SSMFG cylindrical shells.
This disquisition proposes a nonlocal strain gradient beam theory for thermo-mechanical dynamic characteristics of embedded smart shear deformable curved piezoelectric nanobeams made of porous electro-elastic functionally graded materials by using an analytical method. Electro-elastic properties of embedded curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary through the thickness direction of beam according to the power-law which is modified to approximate material properties for even distributions of porosities. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, so in this study thermo-mechanical vibration analysis of curve FG piezoelectric nanobeam by considering the effect of these imperfections is performed. Nonlocal strain gradient elasticity theory is utilized to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field. The governing equations and related boundary condition of embedded smart curved porous FG nanobeam subjected to thermal and electric field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved piezoelectric nanobeam resting on Winkler and Pasternak foundation. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, electric voltage, coefficient of porosity, elastic foundation parameters, thermal effect, gradient index, strain gradient, elastic opening angle and slenderness ratio on the natural frequency of embedded curved FG porous piezoelectric nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play important roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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