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.
Hamed, Mostafa A.;Sadoun, Ayman M.;Eltaher, Mohamed A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.71
no.1
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pp.89-98
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2019
In this study, the mechanical bending behaviors of functionally graded porous nanobeams are investigated. Four types of porosity which are, the classical power porosity function, the symmetric with mid-plane cosine function, bottom surface distribution and top surface distribution are proposed in analysis of nanobeam for the first time. A comparison between four types of porosity are illustrated. The effect of nano-scale is described by the differential nonlocal continuum theory of Eringen by adding the length scale into the constitutive equations as a material parameter comprising information about nanoscopic forces and its interactions. The graded material is designated by a power function through the thickness of nanobeam. The beam is simply-supported and is assumed to be thin, and hence, the kinematic assumptions of Euler-Bernoulli beam theory are held. The mathematical model is solved numerically using the finite element method. Numerical results show effects of porosity type, material graduation, and nanoscale parameters on the static deflection of nanobeam.
The purpose of this paper is to study the geometrically nonlinear free vibration of functionally graded nano/micro beams (FGNBs) based on the modified couple stress theory. For practical applications, some analytical expressions of nonlinear frequencies for FGNBs on a nonlinear Pasternak foundation are developed. Hamilton's principle is employed to obtain nonlinear governing differential equations in the context of both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories for a comprehensive investigation. The modified continuum theory contains one material length scale parameter to capture the size effect. The variation of two-constituent material along the thickness is modeled using Reddy's power-law. Also, the Mori-Tanaka method as an accurate homogenization technique is implemented to estimate the effective material properties of the FGNBs. The results are presented for both hinged-hinged and clamped-clamped boundary conditions. The nonlinear partial differential equations are reduced to ordinary differential equations using Galerkin method and then the powerful method of homotopy analysis is utilized to obtain the semi-analytical solutions. Eventually, the presented analytical expressions are used to examine the influences of the length scale parameter, material gradient index, and elastic foundation on the nonlinear free vibration of FGNBs.
When studying the resonance problem of nanoplates, the existing papers do not consider the influences of geometric nonlinearity and initial geometric imperfection, so this paper is to fill this gap. In this paper, based on the nonlocal strain gradient theory (NSGT), the nonlinear resonances of functionally graded (FG) nanoplates with initial geometric imperfection under different boundary conditions are established. In order to consider the small size effect of plates, nonlocal parameters and strain gradient parameters are introduced to expand the assumptions of the first-order shear deformation theory. Subsequently, the equations of motion are derived using the Euler-Lagrange principle and solved with the help of perturbation method. In addition, the effects of initial geometrical imperfection, functionally graded index, strain gradient parameter, nonlocal parameter and porosity on the nonlinear forced vibration behavior of nanoplates under different boundary conditions are discussed.
The present study conducts a thorough analysis of thermal vibrations in functionally graded porous nanocomposite beams within a thermal setting. Investigating the temperature-dependent material properties of these beams, which continuously vary across their thickness in accordance with a power-law function, a finite element approach is developed. This approach utilizes a nonlocal strain gradient theory and accounts for a linear temperature rise. The analysis employs four different patterns of porosity distribution to characterize the functionally graded porous materials. A novel two-variable shear deformation beam nonlocal strain gradient theory, based on trigonometric functions, is introduced to examine the combined effects of nonlocal stress and strain gradient on these beams. The derived governing equations are solved through a 3-nodes beam element. A comprehensive parametric study delves into the influence of structural parameters, such as thicknessratio, beam length, nonlocal scale parameter, and strain gradient parameter. Furthermore, the study explores the impact of thermal effects, porosity distribution forms, and material distribution profiles on the free vibration of temperature-dependent FG nanobeams. The results reveal the substantial influence of these effects on the vibration behavior of functionally graded nanobeams under thermal conditions. This research presents a finite element approach to examine the thermo-mechanical behavior of nonlocal temperature-dependent FG nanobeams, filling the gap where analytical results are unavailable.
Chaht, Fouzia Larbi;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Beg, O. Anwar;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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v.18
no.2
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pp.425-442
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2015
This paper addresses theoretically the bending and buckling behaviors of size-dependent nanobeams made of functionally graded materials (FGMs) including the thickness stretching effect. The size-dependent FGM nanobeam is investigated on the basis of the nonlocal continuum model. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present model incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a sinusoidal variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FGM nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The governing equations and the related boundary conditions are derived using the principal of minimum total potential energy. A Navier-type solution is developed for simply-supported boundary conditions, and exact expressions are proposed for the deflections and the buckling load. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and stability responses of the FGM nanobeam are discussed in detail. The study is relevant to nanotechnology deployment in for example aircraft structures.
Lemya Hanifi Hachemi Amar;Abdelhakim Kaci;Aicha Bessaim;Mohammed Sid Ahmed Houari;Abdelouahed Tounsi
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.225-238
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2024
In this paper, a quasi-3D hyperbolic shear deformation theory for the bending responses of a functionally graded (FG) porous micro-beam is based on a modified couple stress theory requiring only one material length scale parameter that can capture the size influence. The model proposed accounts for both shear and normal deformation effects through an illustrative variation of all displacements across the thickness and satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the micro-beam. The effective material properties of the functionally graded micro-beam are assumed to vary in the thickness direction and are estimated using the homogenization method of power law distribution, which is modified to approximate the porous material properties with even and uneven distributions of porosity phases. The equilibrium equations are obtained using the virtual work principle and solved using Navier's technique. The validity of the derived formulation is established by comparing it with the ones available in the literature. Numerical examples are presented to investigate the influences of the power law index, material length scale parameter, beam thickness, and shear and normal deformation effects on the mechanical characteristics of the FG micro-beam. The results demonstrate that the inclusion of the size effects increases the microbeams stiffness, which consequently leads to a reduction in deflections. In contrast, the shear and normal deformation effects are just the opposite.
Benahmed, Abdelkarim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Benyoucef, Samir;Belakhdar, Khalil;Tounsi, Abdelouahed
Geomechanics and Engineering
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v.12
no.1
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pp.9-34
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2017
In this work, an efficient and simple quasi-3D hyperbolic shear deformation theory is developed for bending and vibration analyses of functionally graded (FG) plates resting on two-parameter elastic foundation. The significant feature of this theory is that, in addition to including the thickness stretching effect, it deals with only 5 unknowns as the first order shear deformation theory (FSDT). The foundation is described by the Pasternak (two-parameter) model. The material 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. Equations of motion for thick FG plates are obtained within the Hamilton's principle. Analytical solutions for the bending and free vibration analysis are obtained for simply supported plates. The numerical results are given in detail and compared with the existing works such as 3-dimensional solutions and those predicted by other plate theories. It can be concluded that the present theory is not only accurate but also simple in predicting the bending and free vibration responses of functionally graded plates resting on elastic foundation.
In this article, static deflection and buckling of functionally graded (FG) nanoscale beams made of porous material are carried out based on the nonlocal Timoshenko beam model which captures the small scale influences. The exact position of neutral axis is fixed, to eliminate the stretching and bending coupling due to the unsymmetrical material change along the FG nanobeams thickness. The material properties of FG beam are graded through the thickness on the basis of the power-law form, which is modified to approximate the material properties with two models of porosity phases. By employing Hamilton's principle, the nonlocal governing equations of FG nanobeams are obtained and solved analytically for simply-supported boundary conditions via the Navier-type procedure. Numerical results for deflection and buckling of FG nanoscale beams are presented and validated with those existing in the literature. The influences of small scale parameter, power law index, porosity distribution and slenderness ratio on the static and stability responses of the FG nanobeams are all explored.
Nejad, Mohammad Zamani;Hadi, Amin;Omidvari, Arash;Rastgoo, Abbas
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.4
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pp.417-425
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2018
The main aim of this paper is to investigate the bending of Euler-Bernouilli nano-beams made of bi-directional functionally graded materials (BDFGMs) using Eringen's non-local elasticity theory in the integral form with compare the differential form. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into integral form of Eringen's non-local elasticity theory for bending analysis of BDFGM Euler-Bernoulli nano-beams with arbitrary functions. Material properties of nano-beam are assumed to change along the thickness and length directions according to arbitrary function. The approximate analytical solutions to the bending analysis of the BDFG nano-beam are derived by using the Rayleigh-Ritz method. The differential form of Eringen's non-local elasticity theory reveals with increasing size effect parameter, the flexibility of the nano-beam decreases, that this is unreasonable. This problem has been resolved in the integral form of the Eringen's model. For all boundary conditions, it is clearly seen that the integral form of Eringen's model predicts the softening effect of the non-local parameter as expected. Finally, the effects of changes of some important parameters such as material length scale, BDFG index on the values of deflection of nano-beam are studied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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