A high precision shear deformable triangular element has been proposed for bending analysis of triangular plate. The element has twelve nodes at the three sides and four nodes inside the element. Initially the element has thirty-five degrees of freedom, which has been reduced to thirty by eliminating the degrees of freedom of the internal nodes through static condensation. Plates having different boundary conditions, side ratios (b/a) and thickness ratios (h/a = 0.001, 0.1 and 0.2) have been analyzed using the proposed shear locking free element. Concentrated and uniformly distributed transverse loads have been used for the analysis. The formulation is made based on first order shear deformation theory. For validation of the present element and formulation few results of thin triangular plate have been compared with the analytical solutions. Results for thick plate have been presented as new results.
In this article, a simple quasi-3D shear deformation theory is employed for thermo-mechanical bending analysis of functionally graded material (FGM) sandwich plates. The displacement field is defined using only 5 variables as the first order shear deformation theory (FSDT). Unlike the other high order shear deformation theories (HSDTs), the present formulation considers a new kinematic which includes undetermined integral variables. The governing equations are determined based on the principle of virtual work and then they are solved via Navier method. Analytical solutions are proposed to provide the deflections and stresses of simply supported FGM sandwich structures. Comparative examples are presented to demonstrate the accuracy of the present theory. The effects of gradient index, geometrical parameters and thermal load on thermo-mechanical bending response of the FG sandwich plates are examined.
We study the bending wave, shear wave and longitudinal wave characteristics in the double nanobeams in this paper for the first time, in the process of research, based on the Reddy's higher-order shear deformation theory and considering shear layer stiffness, linear stiffness, inter-laminar stiffness, the pore volume fraction, temperature variation, functionally graded index influence on wave propagation, based on the nonlocal strain gradient theory and Hamilton variational principle, the wave equation of the double-nanometer beams are derived. Since there are three different motion states for the double nanobeams, which includes the cases of "in phase", "out of phase" and "one nanobeam fixed", the propagation characteristics of shear-, bending-, and longitudinal- waves in these three cases are discussed respectively, and some valuable conclusions are obtained.
There is not enough mixed finite element method (MFEM) model developed for static and dynamic analysis of functionally graded material (FGM) beams in the literature. The main purpose of this study is to develop a reliable and efficient computational modeling using an efficient functional in MFEM for free vibration and static analysis of FGM composite beams subject to high order shear deformation effects. The modeling of material properties was performed using mixture rule and Mori-Tanaka scheme which are more realistic determination techniques. This method based on the assumption that a two phase composite material consisting of matrix reinforced by spherical particles, randomly distributed in the beam. To explain the displacement components of the shear deformation effects, it was accepted that the shear deformation effects change sinusoidal. Partial differential field equations were obtained with the help of variational methods and then these equations were transformed into a novel functional for FGM beams with the help of Gateaux differential derivative operator. Thanks to the Gateaux differential method, the compatibility of the field equations was checked, and the field equations and boundary conditions were reflected to the function. A MFEM model was developed with a total of 10 degrees of freedom to apply the obtained functional. In the numerical applications section, free vibration and flexure problems solutions of FGM composite beams were compared with those predicted by other theories to show the effects of shear deformation, thickness changing and boundary conditions.
In This work an analysis of the propagation of waves of functionally graduated plates is presented by using a high order hyperbolic (HSDT) shear deformation theory. This theory has only four variables, which is less than the theory of first order shear deformation (FSDT). Therefore, a shear correction coefficient is not required. Unlike other conventional shear deformation theories, the present work includes a new field of displacement which introduces indeterminate integral variables. The properties of materials are supposed classified in the direction of the thickness according to two simple distributions of a power law in terms of volume fractions of constituents. The governing equations of the wave propagation in the functionally graded plate are derived by employing the Hamilton's principle. The analytical dispersion relation of the functionally graded plate is obtained by solving an eigenvalue problem. The convergence and the validation of the proposed theoretical numerical model are performed to demonstrate the efficacy of the model.
The response of functionally graded ceramic-metal plates is investigated using theoretical formulation, Navier's solutions, and a new displacement based on the high-order shear deformation theory are presented for static analysis of functionally graded plates. The theory accounts for a quadratic variation of the transverse shear strains across the thickness, and satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factors. The plates are assumed to have isotropic, two-constituent material distribution through the thickness, and the modulus of elasticity of the plate is assumed to vary according to a power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. Numerical results of the new refined plate theory are presented to show the effect of the material distribution on the deflections, stresses and fundamental frequencies. It can be concluded that the proposed theory is accurate and simple in solving the static and free vibration behavior of functionally graded plates.
Ayoub El Amrani;Hafid Mataich;Jaouad El-Mekkaoui;Bouchta El Amrani
Coupled systems mechanics
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v.12
no.4
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pp.391-407
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2023
This paper presents a static study of a rectangular functional graded material (FGM) plate, simply supported on its four edges, adopting a refined higher order theory that looks for, only,four unknowns,without taking into account any corrective factor of the deformation energy with the satisfaction of the zero shear stress conditions on the upper and lower faces of the plate. We will have determined the contribution of these stresses in the transverse deflection of the plate, as well as their effects on the axial stress within the interfaces between the layers(to avoid any problem of imperfections such as delamination) and on the top and bottom edges of the plate in order to take into account the fatigue phenomenon when choosing the distribution law of the properties used during the design of the plate. A numerical statement, in percentage, of the contribution of the shear effect is made in order to show the reliability of the adopted theory. We will also have demonstrated the need to add the shear effect when the aspect ratio is small or large. Code routines are programmed to obtain numerical results illustrating the validity of the model proposed in the theory compared to those available in the literature.
In this study, a new refined hyperbolic shear deformation theory (RHSDT) is developed using an equivalent single-layer shell displacement model for the static bending and free vibration response of cross-ply laminated composite spherical shells. It is based on a new kinematic in which the transverse displacement is approximated as a sum of the bending and shear components, leading to a reduction of the number of unknown functions and governing equations. The proposed theory uses the hyperbolic shape function to account for an appropriate distribution of the transverse shear strains through the thickness and satisfies the boundary conditions on the shell surfaces without requiring any shear correction factors. The shell governing equations for this study are derived in terms of displacement from Hamilton's principle and solved via a Navier-type analytical procedure. The validity and high accuracy of the present theory are ascertained by comparing the obtained numerical results of displacements, stresses, and natural frequencies with their counterparts generated by some higher-order shear deformation theories. Further, a parametric study examines in detail the effect of both geometrical parameters (i.e., side-to-thickness ratio and curvature-radius-to-side ratio), on the bending and free vibration response of simply supported laminated spherical shells, which can be very useful for many modern engineering applications and their optimization design.
A two new high-order shear deformation theory for bending analysis is presented for a simply supported, functionally graded plate with porosities resting on an elastic foundation. This porosities may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication, while material properties varying to a simple power-law distribution along the thickness direction. Unlike other theories, there are only four unknown functions involved, as compared to five in other shear deformation theories. The theories presented are variationally consistent and strongly similar to the classical plate theory in many aspects. It does not require the shear correction factor, and gives rise to the transverse shear stress variation so that the transverse shear stresses vary parabolically across the thickness to satisfy free surface conditions for the shear stress. It is established that the volume fraction of porosity significantly affect the mechanical behavior of thick function ally graded plates. The validity of the two new theories is shown by comparing the present results with other higher-order theories. The influence of material parameter, the volume fraction of porosity and the thickness ratio on the behavior mechanical P-FGM plate are represented by numerical examples.
We performed a free vibration analysis of skew composite laminates with or without cutout based on the high-order shear deformation plate theory (HSDT). The effects of skew angles and ply orientations on the natural frequencies for various boundary conditions are studied using a nonlinear high-order finite element program developed for this study. The numerical results are in good agreement with those reported by other investigators for simple test cases, and the new results reported in this paper show the interactions between the skew angle, layup sequence and cutout size on the free vibration of the laminate. The findings highlight the importance of skew angles when analyzing laminated composite skew plates with cutout or without cutout.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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