The purposes of the present work it to study the effect of shear deformation on the static post-buckling response of simply supported functionally graded (FGM) axisymmetric beams based on classical, first-order, and higher-order shear deformation theories. The behavior of postbuckling is introduced based on geometric nonlinearity. The material properties of functionally graded materials (FGM) are assumed to be graded in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The equations of motion and the boundary conditions derived using Hamilton's principle. This article compares and addresses the efficiency, the applicability, and the limits of classical models, higher order models (CLT, FSDT, and HSDT) for the static post-buckling response of an asymmetrically simply supported FGM beam. The amplitude of the static post-buckling obtained a solving the nonlinear governing equations. The results showing the variation of the maximum post-buckling amplitude with the applied axial load presented, for different theory and different parameters of material and geometry. In conclusion: The shear effect found to have a significant contribution to the post-buckling behaviors of axisymmetric beams. As well as the classical beam theory CBT, underestimate the shear effect compared to higher order shear deformation theories HSDT.
Tounsi, Abdelouahed;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bessaim, Aicha
Structural Engineering and Mechanics
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v.60
no.4
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pp.547-565
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2016
In this work a new 3-unknown non-polynomial shear deformation theory for the buckling and vibration analyses of functionally graded material (FGM) sandwich plates is presented. The present theory accounts for non-linear in plane displacement and constant transverse displacement through the plate thickness, complies with plate surface boundary conditions, and in this manner a shear correction factor is not required. The main advantage of this theory is that, in addition to including the shear deformation effect, the displacement field is modelled with only 3 unknowns as the case of the classical plate theory (CPT) and which is even less than the first order shear deformation theory (FSDT). The plate properties are assumed to vary according to a power law distribution of the volume fraction of the constituents. Equations of motion are derived from the Hamilton's principle. Analytical solutions of natural frequency and critical buckling load for functionally graded sandwich plates are obtained using the Navier solution. The results obtained for plate with various thickness ratios using the present non-polynomial plate theory are not only substantially more accurate than those obtained using the classical plate theory, but are almost comparable to those obtained using higher order theories with more number of unknown functions.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.04a
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pp.1-4
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2005
A higher order zig-zag shell theory is developed to refine accurately predict deformation and stress of smart shell structures under the mechanical, thermal, and electric loading. The displacement fields through the thickness are constructed by superimposing linear zig-zag field to the smooth globally cubic varying field. Smooth parabolic distribution through the thickness is assumed in the transverse deflection in order to consider transverse normal deformation. The mechanical, thermal, and electric loading is applied in the sinusoidal distribution function in the in-surface direction. Thermal and electric loading is given in the linear variation through the thickness. Especially, in electric loading case, voltage is only applied in piezo-layer. The layer-dependent degrees of freedom of displacement fields are expressed in terms of reference primary degrees of freedom by applying interface continuity conditions as well as bounding surface conditions of transverse shear stresses. In order to obtain accurate transverse shear and normal stresses, integration of equilibrium equation approach is used. The numerical examples of present theory demonstrate the accuracy and efficiency of the proposed theory. The present theory is suitable for the predictions of behaviors of thick smart composite shell under mechanical, thermal, and electric loadings combined.
The theories having been developed thus far account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam. A shear correction factor, therefore, is not required. In this paper, the effect of surface on the axial buckling and free vibration of nanobeams is studied using various refined higher-order shear deformation beam theories. Furthermore, these theories have strong similarities with Euler-Bernoulli beam theory in aspects such as equations of motion, boundary conditions, and expressions of the resultant stress. The equations of motion and boundary conditions were derived from Hamilton's principle. The resultant system of ordinary differential equations was solved analytically. The effects of the nanobeam length-to-thickness ratio, thickness, and modes on the buckling and free vibration of the nanobeams were also investigated. Finally, it was found that the buckling and free vibration behavior of a nanobeam is size-dependent and that surface effects and surface energy produce significant effects by increasing the ratio of surface area to bulk at nano-scale. The results indicated that surface effects influence the buckling and free vibration performance of nanobeams and that increasing the length-to-thickness increases the buckling and free vibration in various higher-order shear deformation beam theories. This study can assist in measuring the mechanical properties of nanobeams accurately and designing nanobeam-based devices and systems.
A high-order nonlocal strain gradient model is developed for wave propagation analysis of porous FG nanoplates resting on a gradient hybrid foundation in thermal environment, for the first time. Material properties are assumed to be temperature-dependent and graded in the nanoplate thickness direction. To consider the thermal effects, uniform, linear, nonlinear, exponential, and sinusoidal temperature distributions are considered for temperature-dependent FG material properties. On the basis of the refined-higher order shear deformation plate theory (R-HSDT) in conjunction with the bi-Helmholtz nonlocal strain gradient theory (B-H NSGT), Hamilton's principle is used to derive the equations of wave motion. Then the dispersion relation between frequency and wave number is solved analytically. The influences of various parameters (such as temperature rise, volume fraction index, porosity volume fraction, lower and higher order nonlocal parameters, material characteristic parameter, foundations components, and wave number) on the wave propagation behaviors of porous FG nanoplates are investigated in detail.
This proposed project presents the bi-axial and uni-axial stability behavior of laminated composite plates based on an original three variable "refined" plate theory. The important "novelty" of this theory is that besides the inclusion of a cubic distribution of transverse shear deformations across the thickness of the structure, it treats only three variables such as conventional plate theory (CPT) instead five as in the well-known theory of "first shear deformation" (FSDT) and theory of "higher order shear deformation" (HSDT). A "shear correction coefficient" is therefore not employed in the current formulation. The computed results are compared with those of the CPT, FSDT and exact 3D elasticity theory. Good agreement is demonstrated and proved for the present results with those of "HSDT" and elasticity theory.
In this study, the authors investigate the free vibration behavior of three-phases functionally graded sandwich plates using a novel nth-order shear deformation theory. These plates are composed of a homogeneous core and two face-sheet layers made of different functionally graded materials. This is the novel type of the sandwich structures that can be applied in many fields of mechanical engineering and industrial. The proposed theory only requires four unknown displacement functions, and the transverse displacement does not need to be separated into bending and shear parts, simplifying the theory. One noteworthy feature of the proposed theory is its ability to capture the parabolic distribution of transverse shear strains and stresses throughout the plate's thickness while ensuring zero values on the two free surfaces. By eliminating the need for shear correction factors, the theory further enhances computational efficiency. Equations of motion are established using Hamilton's principle and solved via Navier's solution. The accuracy and efficiency of the proposed theory are verified by comparing results with available solutions. The authors then use the proposed theory to investigate the free vibration characteristics of three-phases functionally graded sandwich plates, considering the effects of parameters such as aspect ratio, side-to-thickness ratio, skin-core-skin thicknesses, and power-law indexes. Through careful analysis of the free vibration behavior of three-phases functionally graded sandwich plates, the work highlighted the significant roles played by individual material ingredients in influencing their frequencies.
Purpose: This study investigates mechanical behavior of functionally graded (FG) carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) plate in flexure. Isogeometric analysis (IGA) method coupled with shear deformable theory of higher-order (HSDT) to analyze the nonlinear bending response is presented. Method: Shear deformable plate theory into which a polynomial shear shape function and the von Karman type geometric nonlinearity are incorporated is used to derive the nonlinear equations of equilibrium for FG-CNTRC plate in bending. The modified Newton-Raphson iteration is adopted to solve the system equations. Result: The dispersion pattern of carbon nanotubes, plate geometric parameter and boundary condition have significant effects on the nonlinear flexural behavior of FG-CNTRC plate. Conclusion: The proposed IGA method coupled with the HSDT can successfully predict the flexural behavior of FG-CNTRC plate.
In this study, the natural frequencies of Functional Graded Materials (FGM) plates are predicted using Artificial Neural Network (ANN). A model based on Third-order Shear Deformation Theory (TSDT) and FEM is used to train the ANN model. Different training methods are tested to simulate input and output dependency. As this is a parametric model, several architectures and optimization algorithms were tested. The proposed model allows us to minimize the CPU time to evaluate candidate material properties for FGM plate material selection and demonstrate their influence on dynamic behavior. Consequently, the time required for the FGM design process (candidate materials for material selection) and the geometric optimization of the FGM structure would remain reasonable. The ANN model can help industries to produce FGM plates with good mechanical properties of the selected materials. I addition, this model can be used to directly predict vibration behavior by testing a large number of FGM plates, representing all possible combinations of metals and ceramics in today's industry, without having to solve any eigenvalue problems.
In this study a new innovative three unknowns trigonometric shear deformation theory is proposed for the buckling and vibration responses of exponentially graded sandwich plates resting on elastic mediums under various boundary conditions. The key feature of this theoretical formulation is that, in addition to considering shear deformation effect, it has only three unknowns in the displacement field as in the case of the classical plate theory (CPT), contrary to five as in the first shear deformation theory (FSDT) and higher-order shear deformation theory (HSDT). Material characteristics of the sandwich plate faces are considered to vary within the thickness direction via an exponential law distribution as a function of the volume fractions of the constituents. Equations of motion are obtained by employing Hamilton's principle. Numerical results for buckling and free vibration analysis of exponentially graded sandwich plates under various boundary conditions are obtained and discussed. Verification studies confirmed that the present three -unknown shear deformation theory is comparable with higher-order shear deformation theories which contain a greater number of unknowns.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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