Dehsaraji, Maryam Lori;Arefi, Mohammad;Loghman, Abbas
Steel and Composite Structures
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v.34
no.5
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pp.657-670
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2020
In this paper, vibration analysis of functionally graded nanoshell is studied based on the sinusoidal higher-order shear and normal deformation theory to account thickness stretching effect. To account size-dependency, Eringen nonlocal elasticity theory is used. For more accurate modeling the problem and corresponding numerical results, sinusoidal higher-order shear and normal deformation theory including out of plane normal strain is employed in this paper. The radial displacement is decomposed into three terms to show variation along the thickness direction. Governing differential equations of motion are derived using Hamilton's principle. It is assumed that the cylindrical shell is made of an arbitrary composition of metal and ceramic in which the local material properties are measured based on power law distribution. To justify trueness and necessity of this work, a comprehensive comparison with some lower order and lower dimension works and also some 3D works is presented. After presentation of comparative study, full numerical results are presented in terms of significant parameters of the problem such as small scale parameter, length to radius ratio, thickness to radius ratio, and number of modes.
In this research work, a simple and accurate hyperbolic plate theory for the buckling analysis of functionally graded sandwich plates is presented. The main interest of this theory is that, in addition to incorporating the thickness stretching effect (${\varepsilon}_z{\not=}0$), the displacement field is composed only of 5 unknowns as the first order shear deformation theory (FSDT), instead of 6 like in the well-known "higher order shear and normal deformation theories". Thus, the number of unknowns and governing equations for the present theory is reduced, significantly facilitating engineering analysis. Governing equations are obtained by employing the principle of minimum total potential energy. Comparison studies are performed to verify the validity of present results. A numerical investigation has been conducted considering and neglecting the thickness stretching effects on the buckling of sandwich plates with functionally graded skins. It can be concluded that the present theory is not only accurate but also simple in predicting the buckling response of sandwich plates with functionally graded skins.
Reliability analysis of composite structures considering random variation of involved parameters is quite important as composite materials revealed large statistical variations in their mechanical properties. The reliability analysis of such structures by the first order reliability method (FORM) and Monte Carlo Simulation (MCS) based approach involves repetitive evaluations of performance function. The response surface method (RSM) based metamodeling technique has emerged as an effective solution to such problems. In the application of metamodeling for uncertainty quantification and reliability analysis of composite structures; the finite element model is usually formulated by either classical laminate theory or first order shear deformation theory. But such theories show significant error in calculating the structural responses of composite structures. The present study attempted to apply the RSM based MCS for reliability analysis of composite shell structures where the surrogate model is constructed using higher order shear deformation theory (HSDT) of composite structures considering the uncertainties in the material properties, load, ply thickness and radius of curvature of the shell structure. The sensitivity of responses of the shell is also obtained by RSM and finite element method based direct approach to elucidate the advantages of RSM for response sensitivity analysis. The reliability results obtained by the proposed RSM based MCS and FORM are compared with the accurate reliability analysis results obtained by the direct MCS by considering two numerical examples.
Purpose: This study attempts at analyzing mechanical response of functionally graded material (FGM) plates in bending. An accurate and effective numerical approach based on isogeometric analysis (IGA) combined with higher-order shear deformation plate theory to predict the nonlinear flexural behavior is developed. Method: A higher-order shear deformation theory(HSDT) which accounts for the geometric nonlinearity in the von Karman sense is presented and used to derive the equilibrium and governing equations for FGM plate in bending. The nonlinear equations are solved by the modified Newton-Raphson iterative technique. Result: The volume fraction, plate length-to-thickness ratio and boundary condition have signifiant effects on the nonlinear flexural behavior of FGM plates. Conclusion: The proposed IGA method can be used as an accurate and effective numerical tool for analyzing the mechanical responses of FGM plates in flexure.
In this work, the effect of size on the axial buckling behavior of single-layered graphene sheets embedded in elastic media is studied. We incorporate Eringen's nonlocal elasticity equations into three plate theories of first order shear deformation theory, higher order shear deformation theory, and classical plate theory. The surrounding elastic media are simulated using Pasternak and Winkler foundation models and their differences are evaluated. The results obtained from different nonlocal plate theories include the values of Winkler and Pasternak modulus parameters, mode numbers, nonlocal parameter, and side lengths of square SLGSs. We show here that axial buckling behavior strongly depends on modulus and nonlocal parameters, which have different values for different mode numbers and side lengths. In addition, we show that in different nonlocal plate theories, nonlocality is more influential in first order shear deformation theory, especially in certain range of nonlocal parameters.
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.
This article focuses on the study of the buckling behavior of two-dimensional functionally graded (2D-FG) nanosize tubes, including porosity, based on the first shear deformation and higher-order theory of the tube. The nano-scale tube is simulated using the nonlocal gradient strain theory, and the general equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle for the Zhang-Fu's tube model (as a higher-order theory) and Timoshenko beam theory. Finally, the derived equations are solved using a numerical method for both simply-supported and clamped boundary conditions. A parametric study is performed to investigate the effects of different parameters, such as axial and radial FG power indices, porosity parameter, and nonlocal gradient strain parameters, on the buckling behavior of the bi-dimensional functionally graded porous tube. Keywords: Nonlocal strain gradient theory; buckling; Zhang-Fu's tube model; Timoshenko theory; Two-dimensional functionally graded materials; Nanotubes; Higher-order theory.
This article presents the bending analysis of FGM rectangular plates resting on non-uniform elastic foundations in thermal environment. Theoretical formulations are based on a recently developed refined shear deformation theory. The displacement field of the present theory is chosen based on nonlinear variations in the in-plane displacements through the thickness of the plate. The present theory satisfies the free transverse shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factor. Unlike the conventional trigonometric shear deformation theory, the present refined shear deformation theory contains only four unknowns as against five in case of other shear deformation theories. The material properties of the functionally graded plates are assumed to vary continuously through the thickness, according to a simple power law distribution of the volume fraction of the constituents. The elastic foundation is modeled as non-uniform foundation. The results of the shear deformation theories are compared together. Numerical examples cover the effects of the gradient index, plate aspect ratio, side-to-thickness ratio and elastic foundation parameters on the thermo-mechanical behavior of functionally graded plates. Numerical results show that the present theory can archive accuracy comparable to the existing higher order shear deformation theories that contain more number of unknowns.
Sinusoidal shear deformation theory (SSDT) is developed here for dynamic buckling of functionally graded (FG) nano-plates. The material properties of plate are assumed to vary according to power law distribution of the volume fraction of the constituents. In order to present a realistic model, the structural damping of nano-structure is considered using Kelvin-Voigt model. The surrounding elastic medium is modeled with a novel foundation namely as orthotropic visco-Pasternak medium. Size effects are incorporated based on Eringen'n nonlocal theory. Equations of motion are derived from the Hamilton's principle. The differential quadrature method (DQM) in conjunction with Bolotin method is applied for obtaining the dynamic instability region (DIR). The detailed parametric study is conducted, focusing on the combined effects of the nonlocal parameter, orthotropic visco-Pasternak foundation, power index of FG plate, structural damping and boundary conditions on the dynamic instability of system. The results are compared with those of first order shear deformation theory and higher-order shear deformation theory. It can be concluded that the proposed theory is accurate and efficient in predicting the dynamic buckling responses of system.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.10a
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pp.71-74
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2002
A higher-order zig-zag theory is developed to refine the predictions of natural frequency and mode shape of laminated composite plates with multiple delaminations. By imposing top and bottom surface transverse shear stress-free and interface continuity conditions of transverse shear stresses including delaminated interfaces, the displacement field with minimal degree-of-freedoms are obtained. This displacement field can systematically handle the number, shape, size, and locations of delaminations. Through the dynamic version of variational approach, the dynamic equilibriums and variationally consistent boundary conditions are obtained. Through the numerical example of natural frequency analysis, the accuracy and efficiency of present theory are demonstrated. The present theory is suitable as an efficient tool to analyze the static and dynamic behavior of the composite plates with multiple delaminations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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