The free and forced nonlinear dynamic behaviors of Porous Functionally Graded Material (PFGM) plates are examined by means of a High-Order Implicit Algorithm (HOIA). The formulation is developed using the Third-order Shear Deformation Theory (TSDT). Unlike previous works, the formulation is written without resorting to any homogenization technique neither rule of mixture nor considering FGM as a laminated composite, and the distribution of the porosity is assumed to be gradually variable through the thickness of the PFGM plates. Using the Hamilton principle, we establish the governing equations of motion. The Finite Element Method (FEM) is used to compute approximations of the resulting equations; FEM is adopted using a four-node quadrilateral finite element with seven Degrees Of Freedom (DOF) per node. Nonlinear equations are solved by a HOIA. The accuracy and the performance of the proposed approach are verified by presenting comparisons with literature results for vibration natural frequencies and dynamic response of PFGM plates under external loading. The influences of porosity volume fraction, porosity distribution, slenderness ratio and other parameters on the vibrations of PFGM plate are explored. The results demonstrate the significant impact of different physical and geometrical parameters on the vibration behavior of the PFGM plate.
Analytical solutions to problems are crucial because they provide high-quality comparison data for assessing the accuracy of numerical solutions. Benchmark analytical solutions for the vibrations of cracked functionally graded material (FGM) plates are not available in the literature because of the high level of complexity of such solutions. On the basis of first-order shear deformation plate theory (FSDT), this study proposes analytical series solutions for the vibrations of FGM rectangular plates with side or internal cracks parallel to an edge of the plates by using Fourier cosine series and the domain decomposition technique. The distributions of FGM properties along the thickness direction are assumed to follow a simple power law. The proposed analytical series solutions are validated by performing comprehensive convergence studies on the vibration frequencies of cracked square plates with various crack lengths and under various boundary condition combinations and by performing comparisons with published results based on various plate theories and the theory of three-dimensional elasticity. The results reveal that the proposed solutions are in excellent agreement with literature results obtained using the Ritz method on the basis of FSDT. The paper also presents tabulations of the first six nondimensional frequencies of cracked rectangular Al/Al2O3 FGM plates with various aspect ratios, thickness-to-width ratios, crack lengths, and FGM power law indices under six boundary condition combinations, the tabulated frequencies can serve as benchmark data for assessing the accuracy of numerical approaches based on FSDT.
In this work, a high order hyperbolic shear deformation theory with four variables is presented to study the vibratory behavior of functionally graduated plates. The field of displacement of the theory used in this work is introduced indeterminate integral variables. In addition, the effect of porosity is studied. It is assumed that the material characteristics of the porous FGM plate, varies continuously in the direction of thickness as a function of the power law model in terms of volume fractions of constituents taken into account the homogeneous distribution of porosity. The equations of motion are obtained using the principle of virtual work. An analytical solution of the Navier type for free vibration analysis is obtained for a FGM plate for simply supported boundary conditions. A comparison of the results obtained with those of the literature is made to verify the accuracy and efficiency of the present theory. It can be concluded from his results that the current theory is not only accurate but also simple for the presentation of the response of free vibration and the effect of porosity on the latter.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad
Smart Structures and Systems
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v.20
no.3
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pp.329-342
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2017
In this paper, the dispersion characteristics of elastic waves propagation in sandwich nano-beams with functionally graded (FG) face-sheets reinforced with carbon nanotubes (CNTs) is investigated based on various high order shear deformation beam theories (HOSDBTs) as well as nonlocal strain gradient theory (NSGT). In order to align CNTs as symmetric and asymmetric in top and bottom face-sheets with respect to neutral geometric axis of the sandwich nano-beam, various patterns are employed in this analysis. The sandwich nano-beam resting on Pasternak foundation is subjected to thermal, magnetic and electrical fields. In order to involve small scale parameter in governing equations, the NSGT is employed for this analysis. The governing equations of motion are derived using Hamilton's principle based on various HSDBTs. Then the governing equations are solved using analytical method. A detailed parametric study is conducted to study the effects of length scale parameter, different HSDBTs, the nonlocal parameter, various aligning of CNTs in thickness direction of face-sheets, different volume fraction of CNTs, foundation stiffness, applied voltage, magnetic intensity field and temperature change on the wave propagation characteristics of sandwich nano-beam. Also cut-off frequency and phase velocity are investigated in detail. According to results obtained, UU and VA patterns have the same cut-off frequency value but AV pattern has the lower value with respect to them.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad;Arani, M.R. Ghorbanpour
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.4
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pp.439-455
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2019
This research deals with thermo-electro-mechanical buckling analysis of the sandwich nano-beams with face-sheets made of functionally graded carbon nano-tubes reinforcement composite (FG-CNTRC) based on the nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) considering various higher-order shear deformation beam theories (HSDBT). The sandwich nano-beam with FG-CNTRC face-sheets is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Pasternak's foundation. It is assumed that the material properties of the face-sheets change continuously along the thickness direction according to different patterns for CNTs distribution. In order to include coupling of strain and electrical field in equation of motion, the nonlocal non-classical nano-beam model contains piezoelectric effect. The governing equations of motion are derived using Hamilton principle based on HSDBTs and NSGET. The differential quadrature method (DQM) is used to calculate the mechanical buckling loads of sandwich nano-beam as well as critical voltage and temperature rising. After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various HSDBTs, length scale parameter (strain gradient parameter), the nonlocal parameter, the CNTs volume fraction, Pasternak's foundation coefficients, various boundary conditions, the CNTs efficiency parameter and geometric dimensions on the buckling behaviors of FG sandwich nano-beam. The numerical results indicate that, the amounts of the mechanical critical load calculated by PSDBT and TSDBT approximately have same values as well as ESDBT and ASDBT. Also, it is worthy noted that buckling load calculated by aforementioned theories is nearly smaller than buckling load estimated by FSDBT. Also, similar aforementioned structure is used to building the nano/micro oscillators.
The fiber reinforced composite materials have many advantages due to their high strength-to-density ratios. Thus they have been widely used in many industrial applications. As the wave propagation are closely related to dynamic analysis of structures, it is very important to predict them. This paper presents a wave propagation in the axially loaded axial-bending-shear coupled composite laminated beams which are represented by the Timoshenko beam models based on the first-order shear deformation theory.
The influence of boundary conditions on the bending and free vibration behavior of functionally graded sandwich plates resting on a two-parameter elastic foundation is examined using an original novel high order shear theory. The Hamilton's principle is used herein to derive the equations of motion. The number of unknowns and governing equations of the present theory is reduced, and hence makes it simple to use. This theory includes indeterminate integral variables and contains only four unknowns in which any shear correction factor not used, with even less than the conventional theory of first shear strain (FSDT). Unlike any other theory, the number of unknown functions involved in displacement field is only four, as against five, six or more in the case of other shear deformation theories. Galerkin's approach is utilized for FGM sandwich plates with six different boundary conditions. The accuracy of the proposed solution is checked by comparing it with other closed form solutions available in the literature.
The theory with hierarchical warping functions had been used to analyze composite thin-walled structure, laminated beam and had good results. In the present paper, a series of hierarchical warping functions are developed to analyze the cylindrical bending problems of composite lamina. These warping functions which refine through-the-thickness variation of displacements were composed of basic and corrective functions by taking into account of anisotropic, material discontinues, and transverse shear and normal strain. Then the hierarchical finite element method was used to form a numerical algorithm. The distribution of the displacements, in-plane stresses, transverse shear stresses and transverse normal stress for composite laminate were analyzed with the present model. The results show that the present model has precise mechanical response compared with the first deformation transverse theory and the corrective order affects the accuracy of result.
In this paper, a size-dependent dynamic investigation of a porous metal foams microbeamsis presented. The novelty of this study is to use a metal foam microbeam that contain porosities based on the refined high order shear deformation beam model, with sinusoidal shear strain function, and the modified strain gradient theory (MSGT) for the first time. The Lagrange's principle combined with differential quadrature hierarchicalfinite element method (DQHFEM) are used to obtain the porous microbeam governing equations. The solutions are presented for the natural frequencies of the porous and homogeneoustype microbeam. The obtained results are validated with the analytical methods found in the literature, in order to confirm the accuracy of the presented resolution method. The influences of the shape of porosity distribution, slenderness ratio, microbeam thickness, and porosity coefficient on the free vibration of the porous microbeams are explored in detail. The results of this paper can be used in various design formetallic foammicro-structuresin engineering.
In this article, the surface stress effects on the buckling analysis of the annular sandwich plate is developed. The proposed plate is composed of two face layers made of carbon nanotubes (CNT) reinforced composite with assuming of fully bonded to functionally graded porous core. The generalized rule of the mixture is employed to predict the mechanical properties of the microcomposite sandwich plate. The derived potentials energy based on higher order shear deformation theory (HSDT) and modified couple stress theory (MCST) is solved by employing the Ritz method. An exact analytical solution is presented to calculate the critical buckling loads of the annular sandwich plate. The predicted results are validated by carrying out the comparison studies for the buckling analysis of annular plates with those obtained by other analytical and finite element methods. The effects of various parameters such as material length scale parameter, core thickness to total thickness ratio (hc/h), surface elastic constants based on surface stress effect, various boundary condition and porosity distributions, size of the internal pores (e0), Skempton coefficient and elastic foundation on the critical buckling load have been studied. The results can be served as benchmark data for future works and also in the design of materials science, injunction high-pressure micropipe connections, nanotechnology, and smart systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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