The paper focuses on bending analysis of the functionally graded (FG) plates with arbitrary shapes and boundary conditions. The material property of FG plates is modelled by using the power law distribution. Based on the first order shear deformation plate theory (FSDT), the governing equations as well as boundary conditions are formulated and obtained by using the principle of virtual work. The coupled Boundary Element-Radial Basis Function (BE-RBF) method is established to solve the complex FG plates. The proposed methodology is developed by applying the concept of the analog equation method (AEM). According to the AEM, the original governing differential equations are replaced by three Poisson equations with fictitious sources under the same boundary conditions. Then, the fictitious sources are established by the application of a technique based on the boundary element method and approximated by using the radial basis functions. The solution of the actual problem is attained from the known integral representations of the potential problem. Therefore, the kernels of the boundary integral equations are conveniently evaluated and readily determined, so that the complex FG plates can be easily computed. The reliability of the proposed method is evaluated by comparing the present results with those from analytical solutions. The effects of the power index, the length to thickness ratio and the modulus ratio on the bending responses are investigated. Finally, many interesting features and results obtained from the analysis of the FG plates with arbitrary shapes and boundary conditions are demonstrated.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.13
no.4
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pp.458-467
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2012
In this study, the linear viscoelastic response of a rectangular laminated plate is investigated. The viscoelastic properties, expressed by two basic spring-dashpot models, that is Kelvin and Maxwell models, is assumed in the range to investigate the influence of viscoelastic coefficients to mechanical behavior. In the present study, viscoelastic responses are performed for two popular equivalent single-layered theories, such as the first-order shear deformation theory (FSDT) and third-order shear deformation theory (TSDT). Compliance and relaxation modulus of time-dependent viscoelastic behavior are approximately determined by Prony series. The constitutive equation for linear viscoelastic material as the Boltzmann superposition integral equation is simplified by the convolution theorem of Laplace transformation to avoid direct time integration as well as to improve both accuracy and computational efficiency. The viscoelastic responses of composite laminates in the real time domain are obtained by applying the inverse Laplace transformation. The numerical results of viscoelastic phenomena such as creep, cyclic creep and recovery creep are presented.
Ajri, Masoud;Rastgoo, Abbas;Fakhrabadi, Mir Masoud Seyyed
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.5
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pp.623-637
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2019
This paper analyzes the non-stationary vibration and super-harmonic resonances in nonlinear dynamic motion of viscoelastic nano-resonators. For this purpose, a new coupled size-dependent model is developed for a plate-shape nano-resonator made of nonlinear viscoelastic material based on modified coupled stress theory. The virtual work induced by viscous forces obtained in the framework of the Leaderman integral for the size-independent and size-dependent stress tensors. With incorporating the size-dependent potential energy, kinetic energy, and an external excitation force work based on Hamilton's principle, the viscous work equation is balanced. The resulting size-dependent viscoelastically coupled equations are solved using the expansion theory, Galerkin method and the fourth-order Runge-Kutta technique. The Hilbert-Huang transform is performed to examine the effects of the viscoelastic parameter and initial excitation values on the nanosystem free vibration. Furthermore, the secondary resonance due to the super-harmonic motions are examined in the form of frequency response, force response, Poincare map, phase portrait and fast Fourier transforms. The results show that the vibration of viscoelastic nanosystem is non-stationary at higher excitation values unlike the elastic ones. In addition, ignoring the small-size effects shifts the secondary resonance, significantly.
The free and forced vibration in addition to electric energy harvesting of a piezoelectric disk resting on two-parameter foundation modeled by modified couple stress as well as Kirchhoff plate theory is probed. The governing equations and boundary conditions are obtained using Hamilton's principle. Then, the free and forced vibration are solved using numerical solutions, generalized differential quadrature method (GDQM) and Newmark-beta method. The forced vibration is resulted from a base excitation load. Also, the possible voltage which can be harvested from this system is obtained using generalized integral quadrature method. The validity of the formulation and solution procedure is confirmed using a compassion study. The impact of parameters such as length effect, inner to outer radius ratio, and foundations parameters on the free and forced vibration as well as energy harvesting is investigated in detail. This paper can be a basis for future studies in the area of piezoelectric harvesters in small scales.
In this paper, an analytical solution for thermodynamic response of functionally graded (FG) sandwich plates resting on variable elastic foundation is performed by using a quasi 3D shear deformation plate theory. The displacement field used in the present study contains undetermined integral terms and involves only four unknown functions with including stretching effect. The FG sandwich plate is considered to be subject to a time harmonic sinusoidal temperature field across its thickness with any combined boundary conditions. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. The numerical results are compared with the existing results of quasi-3D shear deformation theories and an excellent agreement is observed. Several numerical examples for fundamental frequency, deflection, stress and variable elastic foundation parameter's analysis of FG sandwich plates are presented and discussed considering different material gradients, layer thickness ratios, thickness-to-length ratios and boundary conditions. The results of the present study reveal that the nature of the elastic foundation, the boundary conditions and the thermodynamic loading affect the response of the FG plate especially in the case of a thick plate.
The main objective of this paper is to study the effect of porosity on the buckling behavior of thick functionally graded sandwich plate resting on various boundary conditions under different in-plane loads. The formulation is made for a newly developed sandwich plate using a functional gradient material based on a modified power law function of symmetric and asymmetric configuration. Four different porosity distribution are considered and varied in accordance with material propriety variation in the thickness direction of the face sheets of sandwich plate, metal foam also is considered in this study on the second model of sandwich which containing metal foam core and FGM face sheets. New quasi-3D high shear deformation theory is used here for this investigate; the present kinematic model introduces only six variables with stretching effect by adopting a new indeterminate integral variable in the displacement field. The stability equations are obtained by Hamilton's principle then solved by generalized solution. The effect of Pasternak and Winkler elastic foundations also including here. the present model validated with those found in the open literature, then the impact of different parameters: porosities index, foam cells distribution, boundary conditions, elastic foundation, power law index, ratio aspect, side-to-thickness ratio and different in-plane axial loads on the variation of the buckling behavior are demonstrated.
In this work, the bending and free vibration analysis of multilayered plates and shells is presented by utilizing a new higher order shear deformation theory (HSDT). The proposed involves only four unknowns, which is even less than the first shear deformation theory (FSDT) and without requiring the shear correction coefficient. Unlike the conventional HSDTs, the present one presents a novel displacement field which incorporates undetermined integral variables. The equations of motion are derived by using the Hamilton's principle. These equations are then solved via Navier-type, closed form solutions. Bending and vibration results are found for cylindrical and spherical shells and plates for simply supported boundary conditions. Bending and vibration problems are treated as individual cases. Panels are subjected to sinusoidal, distributed and point loads. Results are presented for thick to thin as well as shallow and deep shells. The computed results are compared with the exact 3D elasticity theory and with several other conventional HSDTs. The proposed HSDT is found to be precise compared to other several existing ones for investigating the static and dynamic response of isotropic and multilayered composite shell and plate structures.
The focus of this paper is to develop an analytical approach based on an efficient shear deformation theory with stretching effect for bending stress analysis of cross-ply laminated composite plates subjected to transverse parabolic load and line load by using a new kinematic model, in which the axial displacements involve an undetermined integral component in order to reduce the number of unknowns and a sinusoidal function in terms of the thickness coordinate to include the effect of transverse shear deformation. The present theory contains only five unknowns and satisfies the zero shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using any shear correction factors. The governing differential equations and its boundary conditions are derived by employing the static version of principle of virtual work. Closed-form solutions for simply supported cross-ply laminated plates are obtained applying Navier's solution technique, and the numerical case studies are compared with the theoretical results to verify the utility of the proposed model. Lastly, it can be seen that the present outlined theory is more accurate and useful than some higher-order shear deformation theories developed previously to study the static flexure of laminated composite plates.
In this work, two dimensional (2D) and quasi three-dimensional (quasi-3D) HSDTs are proposed for bending and free vibration investigation of functionally graded (FG) plates using hyperbolic shape function. Unlike the existing HSDT, the proposed theories have a novel displacement field which include undetermined integral terms and contains fewer unknowns. The material properties of the plate is inhomogeneous and are considered to vary continuously in the thickness direction by three different distributions; power-law, exponential and Mori-Tanaka model, in terms of the volume fractions of the constituents. The governing equations which consider the effects of both transverse shear and thickness stretching are determined through the Hamilton's principle. The closed form solutions are deduced by employing Navier method and then fundamental frequencies are obtained by solving the results of eigenvalue problems. In-plane stress components have been determined by the constitutive equations of composite plates. The transverse stress components have been determined by integrating the 3D stress equilibrium equations in the thickness direction of the FG plate. The accuracy of the present formulation is demonstrated by comparisons with the different 2D, 3D and quasi-3D solutions available in the literature.
Elastic bending of imperfect functionally graded sandwich plates (FGSPs) laying on the Winkler-Pasternak foundation and subjected to sinusoidal loads is analyzed. The analyses have been established using the quasi-3D sinusoidal shear deformation model. In this theory, the number of unknowns is condensed to only five unknowns using integral-undefined terms without requiring any correction shear factor. Moreover, the current constituent material properties of the middle layer is considered homogeneous and isotropic. But those of the top and bottom face sheets of the graded porous sandwich plate (FGSP) are supposed to vary regularly and continuously in the direction of thickness according to the trigonometric volume fraction's model. The corresponding equilibrium equations of FGSPs with simply supported edges are derived via the static version of the Hamilton's principle. The differential equations of the system are resolved via Navier's method for various schemes of FGSPs. The current study examine the impact of the material index, porosity, side-to-thickness ratio, aspect ratio, and the Winkler-Pasternak foundation on the displacements, axial and shear stresses of the sandwich structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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