Ahmed Frih;Fouad Bourada;Abdelhakim Kaci;Mohammed Bouremana;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta;Khaled Mohamed Khedher;Mohamed Abdelaziz Salem
Geomechanics and Engineering
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v.34
no.3
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pp.233-250
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2023
This paper investigates the flexural analysis of isotropic, transversely isotropic, and laminated composite plates using a new higher-order normal and shear deformation theory. In the present theory, only five unknown functions are involved compared to six or more unknowns used in the other similar theories. The developed theory does not need a shear correction factor. It can satisfy the zero traction boundary conditions on the top and the bottom surfaces of the plate as well as account for sufficient distribution of the transverse shear strains. The thickness stretching effect is considered in the computation. A simply supported was considered on all edges of the plate. The plate is subjected to uniform and sinusoidal distributed load in the static analysis. Laminated composite, isotropic, and transversely isotropic plates are considered. The governing equations are obtained utilizing the virtual work principle. The differential equations are solved via Navier's procedure. The results obtained from the developed theory are compared with other higher-order theories considered in the previous studies and 3D elasticity solutions. The results showed that the proposed theory accurately and effectively predicts the bidirectional bending responses of laminated composite plates. Several parametric studies are presented to illustrate the various parameters influencing the static response of the laminated composite plates.
The ratios of elastic to shear modulus of the structures as laminated composite plates and shells, are very large. They are much susceptible to effect of shear deformation. In order to obtain the accurate solutions of laminated composite plate and shells, the effects of shear strain should be considered for the analysis and design of them. Especially, the more exact solution can be obtained in applying to higher-order shear deformation theory. Therefore, in this paper, the third-order shear deformation theory is used to present the distributions of bending, the characteristics of natural frequencies and the buckling load according to the effects of ply orientation, number of layers for the laminated composite plates and shells with simply supported boundary conditions.
In this study the finite element method is utilized to predict the deflection and vibration characteristics of rectangular plates made of saturated porous functionally graded materials (PFGM) within the framework of the third order shear deformation plate theory. Material properties of PFGM plate are supposed to vary continuously along the thickness direction according to the power-law form and the porous plate is assumed of the form where pores are saturated with fluid. Various edge conditions of the plate are analyzed. The governing equations of motion are derived through energy method, using calculus of variations while the finite element model is derived based on the constitutive equation of the porous material. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling and finite element approach can provide accurate deflection and frequency results of the PFGM plates as compared to the previously published results in literature. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as porosity volume fraction, material distribution profile, mode number and boundary conditions on the natural frequencies and deflection of the PFGM plates in detail. It is explicitly shown that the deflection and vibration behaviour of porous FGM plates are significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FGM plates with porosity phases.
A higher order analytical solution for static analysis of a truncated conical composite sandwich panel subjected to different loading conditions was presented in this paper which was based on a new improved higher order sandwich panel theory. Bending analysis of sandwich structures with flexible cores subjected to concentrated load, uniform distributed load on a patch, harmonic and uniform distributed loads on the top and/or bottom face sheet of the sandwich structure was also investigated. For the first time, bending analysis of truncated conical composite sandwich panels with flexible cores was performed. The governing equations were derived by principle of minimum potential energy. The first order shear deformation theory was used for the composite face sheets and for the core while assuming a polynomial description of the displacement fields. Also, the in-plane hoop stresses of the core were considered. In order to assure accuracy of the present formulations, convergence of the results was examined. Effects of types of boundary conditions, types of applied loads, conical angles and fiber angles on bending analysis of truncated conical composite sandwich panels were studied. As, there is no research on higher order bending analysis of conical sandwich panels with flexible cores, the results were validated by ABAQUS FE code. The present approach can be linked with the standard optimization programs and it can be used in the iteration process of the structural optimization. The proposed approach facilitates investigation of the effect of physical and geometrical parameters on the bending response of sandwich composite structures.
Postbuckling of thick plates made of functionally graded material (FGM) subjected to in-plane compressive, thermal and thermomechanical loads is investigated in this work. It is assumed that the plate is in contact with a Pasternak-type elastic foundation during deformation. Thermomechanical non-homogeneous properties are considered to be temperature independent, and graded smoothly by the distribution of power law across the thickness in the thickness in terms of the volume fractions of constituents. By employing the higher order shear deformation plate theory together the non-linear von-Karman strain-displacement relations, the equilibrium and compatibility equations of imperfect FGM plates are derived. The Galerkin technique is used to determine the buckling loads and postbuckling equilibrium paths for simply supported plates. Numerical examples are presented to show the influences of power law index, foundation stiffness and imperfection on the buckling and postbuckling loading capacity of the plates.
In the present work, an analytical solution for the static analysis of laminated composites, functionally graded and sandwich singly and doubly curved panels on the rectangular plan-form, subjected to uniformly distributed transverse loading is presented. Mathematical formulation is based on the higher order shear deformation theory and principle of virtual work is applied to derive the equations of equilibrium subjected to small deformation. A solution methodology based on the fast converging finite double Chebyshev series is used to solve the linear partial differential equations along with the simply supported boundary condition. The effect of span to thickness ratio, radius of curvature to span ratio, stacking sequence, power index are investigated. The accuracy of the solution is checked by the convergence study of non-dimensional central deflection and moments. Present results are compared with those available in the literature.
In the present paper, thermal buckling characteristics of functionally graded rectangular plates made of porous material that are integrated with surface-bonded piezoelectric actuators subjected to the combined action of thermal load and constant applied actuator voltage are investigated by utilizing a Navier solution method. The uniform temperature rise loading is considered. Thermomechanical material properties of FGM plates are assumed to be temperature independent and supposed to vary through thickness direction of the constituents according to power-law distribution (P-FGM) which is modified to approximate the porous material properties with even and uneven distributions of porosities phases. The governing differential equations of stability for the piezoelectric FGM plate are derived based on higher order shear deformation plate theory. Influences of several important parameters on the critical thermal buckling temperature are investigated and discussed in detail.
This article investigates buckling behavior of a multi-phase nanocrystalline nanobeam resting on Winkler-Pasternak foundation in the framework of nonlocal couple stress elasticity and a higher order refined beam model. In this model, the essential measures to describe the real material structure of nanocrystalline nanobeams and the size effects were incorporated. This non-classical nanobeam model contains couple stress effect to capture grains micro-rotations. Moreover, the nonlocal elasticity theory is employed to study the nonlocal and long-range interactions between the particles. The present model can degenerate into the classical model if the nonlocal parameter, and couple stress effects are omitted. Hamilton's principle is employed to derive the governing equations and the related boundary conditions which are solved applying an analytical approach. The buckling loads are compared with those of nonlocal couple stress-based beams. It is showed that buckling loads of a nanocrystalline nanobeam depend on the grain size, grain rotations, porosities, interface, elastic foundation, shear deformation, surface effect, nonlocality and boundary conditions.
The previous studies reflected the significant effect of neutral-axis position and coupling of in-plane and out-of-plane displacements on behavior of functionally graded (FG) nanobeams. In thin FG beam, this coupling can be eliminated by a proper choice of the reference axis. In shear deformable FG nanobeam, not only this coupling can't be eliminated but also the position of neutral-axis is dependent on through-thickness distribution of shear strain. For the first time, in this paper it is avoided to guess a shear strain shape function and the exact shape function and consequently the exact position of neutral axis for arbitrary gradation of higher order nanobeam are obtained. This paper presents new methodology based on differential transform and collocation methods to solve coupled partial differential equations of motion without any simplifications. Using exact position of neutral axis and higher order beam kinematics as well as satisfying equilibrium equations and traction-free conditions without shear correction factor requirement yields to better results in comparison to the previously published results in literature. The classical rule of mixture and Mori-Tanaka homogenization scheme are considered. The Eringen's nonlocal continuum theory is applied to capture the small scale effects. For the first time, the dependency of exact position of neutral axis on length to thickness ratio is investigated. The effects of small scale, length to thickness ratio, Poisson's ratio, inhomogeneity of materials and various end conditions on vibration and buckling of local and nonlocal FG beams are investigated. Moreover, the effect of axial load on natural frequencies of the first modes is examined. After degeneration of the governing equations, the exact new formulas for homogeneous nanobeams are computed.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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