This paper deals with the transient dynamic analysis and elastic wave propagation in a functionally graded graphene platelets (FGGPLs)-reinforced composite thick hollow cylinder, which is subjected to shock loading. A micromechanical model based on the Halpin-Tsai model and rule of mixture is modified for nonlinear functionally graded distributions of graphene platelets (GPLs) in polymer matrix of composites. The governing equations are derived for an axisymmetric FGGPLs-reinforced composite cylinder with a finite length and then solved using a hybrid meshless method based on the generalized finite difference (GFD) and Newmark finite difference methods. A numerical time discretization is performed for the dynamic problem using the Newmark method. The dynamic behaviors of the displacements and stresses are obtained and discussed in detail using the modified micromechanical model and meshless GFD method. The effects of the reinforcement of the composite cylinder by GPLs on the elastic wave propagations in both displacement and stress fields are obtained for various parameters. It is concluded that the proposed micromechanical model and also the meshless GFD method have a high capability to simulate the composite structures under shock loadings, which are reinforced by FGGPLs. It is shown that the modified micromechanical model and solution technique based on the meshless GFD method are accurate. Also, the time histories of the field variables are shown for various parameters.
This paper investigates dynamic characteristics of a graphene nanoplatelets reinforced composite (GNPRC) sandwich doubly curved shell based on the first-order shear deformation theory (FSDT) and Hamilton's principle. The sandwich doubly curved shell is fabricated from a core made of honeycomb materials sandwiched by composite GNPs reinforced face-sheets. Effective materials properties of composite face-sheets are assumed to vary based on Halpin-Tsai micromechanical models and rule of mixture. Furthermore, the material properties of honeycomb core are estimated using Gibson's formula. The fundamental frequencies of the shell are computed with changes of main geometrical and material properties such as amount and distribution type of graphene nanoplatelets, side length ratio, thickness to length ratio of and side length ratio of honeycomb. The Navier's technique is presented to obtain responses. Accuracy and trueness of the present model and analytical solution is confirmed through comparison of the results with available results in literature. It is concluded that an increase in thickness to length ratio yields a softer core with lower natural frequencies. Furthermore, increase in height to length ratio leads to significant decrease in natural frequencies.
Based on a four-variable shear deformation shell theory, the free vibration analysis of functionally graded graphene platelet-reinforced composite (FGGPRC) doubly-curved shallow shells with different boundary conditions is investigated in this work. The doubly-curved shells are composed of multi nanocomposite layers that are reinforced with graphene platelets. The graphene platelets are uniformly distributed in each individual layer. While, the volume faction of the graphene is graded from layer to other in accordance with a novel distribution law. Based on the suggested distribution law, four types of FGGPRC doubly-curved shells are studied. The present shells are assumed to be rested on elastic foundations. The material properties of each layer are calculated using a micromechanical model. Four equations of motion are deduced utilizing Hamilton's principle and then converted to an eigenvalue problem employing an analytical method. The obtained results are checked by introducing some comparison examples. A detailed parametric investigation is performed to illustrate the influences of the distribution type of volume fraction, shell curvatures, elastic foundation stiffness and boundary conditions on the vibration of FGGPRC doubly-curved shells.
An analysis on thermal buckling and postbuckling of composite laminated plates reinforced with a low amount of graphene platelets is performed in the current investigation. It is assumed that graphaene platelets are randomly oriented and uniformly dispersed in each layer of the composite media. Elastic properties of the nanocomposite media are obtained by means of the modified Halpin-Tsai approach which takes into account the size effects of the graphene reinforcements. By means of the von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ type of geometrical nonlinearity, third order shear deformation theory and nonuniform rational B-spline (NURBS) based isogeometric finite element method, the governing equations for the thermal postbuckling of nanocomposite plates in rectangular shape are established. These equations are solved by means of a direct displacement control strategy. Numerical examples are given to study the effects of boundary conditions, weight fraction of graphene platelets and distribution pattern of graphene platelets. It is shown that, with introduction of a small amount of graphene platelets into the matrix of the composite media, the critical buckling temperature of the plate may be enhanced and thermal postbuckling deflection may be alleviated.
Ahmed Amine Daikh;Amin Hamdi;Hani M. Ahmed;Mohamed S. Abdelwahed;Alaa A. Abdelrahman;Mohamed A. Eltaher
Advances in nano research
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v.15
no.2
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pp.113-128
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2023
The advancement of theoretical research has numerous challenges, particularly with regard to the modeling of structures, in contrast to experimental investigation of the mechanical behavior of complex systems. The main objective of this investigation is to provide an analytical analysis of the static problem of a new generation of composite structure, namely, functionally graded FG graphene reinforced composite GRC coated plates/shells. A complex power law function is used to define the material's graduation. Investigations are conducted on Hardcore and Softcore coated FG plates/shells. The virtual work approach is used to perform the equilibrium equations, which are then solved using the Galerkin technique to account for various boundary conditions. With reliable published articles, the presented solution is validated. The effects of hardcore and softcore distributions, gradation indexes, and boundary conditions on the buckling, bending deflection and stresses of FG GRC-coated shells are presented in detail. Obtained results and the developed procedure are supportive for design and manufacturing of FG-GRC coated plates/shells in several fields and industries e.g., aerospace, automotive, marine, and biomedical implants.
In this paper, free and force vibration behaviors of graphene-reinforced composite functionally graded (GRC-FG) cylindrical shells in thermal environments are investigated based on Reddy's third-order shear deformation theory (HSDT). The GRC-FG cylindrical shells are composed of piece-wise pattern graphene-reinforced layers which have different volume fraction. Based on the extended Halpin-Tsai micromechanical model, the effective material properties of the resulting nanocomposites are evaluated. Using the Hamilton's principle and the assumed mode method, the motion equation of the GRC-FG cylindrical shells is formulated. Using the time- and frequency-domain methods, free and force vibration properties of the GRC-FG cylindrical shell are analyzed. Numerical cases are provided to study the effects of distribution of graphene, shell radius-to-thickness ratio and temperature changes on the free and force vibration responses of GRC-FG cylindrical shells.
The present paper researches post-buckling behaviors of geometrically imperfect concrete beam resting on elastic foundation reinforced with graphene oxide powders (GOPs) based on finite element method (FEM). Distribution of GOPs are considered as uniform and linearly graded through the thickness. Geometric imperfection is considered as first buckling mode shape of the beam, the GOP reinforced beam is rested in initial position. The material properties of GOP reinforced composite have been calculated via employment of Halpin-Tsai micromechanical scheme. The provided refined beam element verifies the shear deformation impacts needless of any shear correction coefficient. The post-buckling load-deflections relations have been calculated via solving the governing equations having cubic non-linearity implementing FEM. Obtained findings indicate the importance of GOP distributions, GOP weight fraction, matrix material, geometric imperfection, shear deformation and foundation parameters on nonlinear buckling behavior of GOP reinforced beam.
The dynamic stability of a functionally graded polymer microbeam reinforced by graphene oxides subjected to a periodic axial force is investigated. The microbeam is assumed to rest on an elastic substrate and is subjected to various immovable boundary restraints. The weight fraction of graphene oxides nanofillers is graded across the beam thickness. The effective Young's modulus of the functionally graded graphene oxides reinforced composite (FG-GORC) was determined using modified Halpin-Tsai model, with the mixture rule used to evaluate the effective Poisson's ratio and the mass density. An improved third order shear deformation theory (TSDT) is used in conjunction with the Chebyshev polynomial-based Ritz method to derive the Mathieu-Hill equations for dynamic stability of the FG-GORC microbeam, in which the scale effect is taken into account based on modified couple stress theory. Then, the Mathieu-Hill equation was solved using Bolotin's method to predict the principle unstable regions of the FG-GORC microbeams. The numerical results show the effects of the small scale, the graphene oxides nanofillers as well as the elastic substrate on the dynamic stability behaviors of the FG-GORC microbeams.
Current paper deals with thermoelastic static and free vibrational behaviors of axisymmetric thick cylinders reinforced with functionally graded (FG) randomly oriented graphene subjected to internal pressure and thermal gradient loads. The heat transfer and mechanical analyses of randomly oriented graphene-reinforced nanocomposite (GRNC) cylinders are facilitated by developing a weak form mesh-free method based on moving least squares (MLS) shape functions. Furthermore, in order to estimate the material properties of GRNC with temperature dependent components, a modified Halpin-Tsai model incorporated with two efficiency parameters is utilized. It is assumed that the distributions of graphene nano-sheets are uniform and FG along the radial direction of nanocomposite cylinders. By comparing with the exact result, the accuracy of the developed method is verified. Also, the convergence of the method is successfully confirmed. Then we investigated the effects of graphene distribution and volume fraction as well as thermo-mechanical boundary conditions on the temperature distribution, static response and natural frequency of the considered FG-GRNC thick cylinders. The results disclosed that graphene distribution has significant effects on the temperature and hoop stress distributions of FG-GRNC cylinders. However, the volume fraction of graphene has stronger effect on the natural frequencies of the considered thick cylinders than its distribution.
Natural frequency behavior of graphene platelets reinforced composite (GPL-RC) joined truncated conical-cylindrical- conical shells resting on Winkler-type elastic foundation is presented in this paper for the first time. The rule of mixture and the modified Halpin-Tsai approach are applied to achieve the mechanical properties of the structure. Four different graphene platelets patterns are considered along the thickness of the structure such as GPLA, GPLO, GPLX, GPLUD. Finite element procedure according to Rayleigh-Ritz formulation has been used to solve 2D-axisymmetric elasticity equations. Application of 2D axisymmetric elasticity theory allows thickness stretching unlike simple shell theories, and this gives more accurate results, especially for thick shells. An efficient parametric investigation is also presented to show the effects of various geometric variables, three different boundary conditions, stiffness of elastic foundation, dispersion pattern and weight fraction of GPLs nanofillers on the natural frequencies of the joined shell. Results show that GPLO and BC3 provide the most rigidity that cause the most natural frequencies among different BCs and GPL patterns. Also, by increasing the weigh fraction of nanofillers, the natural frequencies will increase up to 200%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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