The governing differential equations for free vibration of multi-step orthotropic shear plates with variably distributed mass, stiffness and viscous damping are established. It is shown that a shear plate can be divided into two independent shear bars to determine the natural frequencies and mode shapes of the plate. The jk-th natural frequency of a shear plate is equal to the square root of the square sum of the j-th natural frequency of a shear bar and the k-th natural frequency of another shear bar. The jk-th mode shape of the shear plate is the product of the j-th mode shape of a shear bar and the k-th mode shape of another shear bar. The general solutions of the governing equations of the orthotropic shear plates with various boundary conditions are derived by selecting suitable expressions, such as power functions and exponential functions, for the distributions of stiffness and mass along the height of the plates. A numerical example demonstrates that the present methods are easy to implement and efficient. It is also shown through the numerical example that the selected expressions are suitable for describing the distributions of stiffness and mass of typical multi-storey buildings.
This paper deals with free vibration analysis of continuous grading fiber reinforced (CGFR) and bi-directional FG annular sector plates on two-parameter elastic foundations under various boundary conditions, based on the three-dimensional theory of elasticity. The plates with simply supported radial edges and arbitrary boundary conditions on their circular edges are considered. A semi-analytical approach composed of differential quadrature method (DQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. Some new results for the natural frequencies of the plate are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. Results indicate that the non-dimensional natural frequency parameter of a functionally graded fiber volume fraction is larger than that of a discrete laminated and close to that of a 2-layer. It results that the CGFR plate attains natural frequency higher than those of traditional discretely laminated composite ones and this can be a benefit when higher stiffness of the plate is the goal and that is due to the reduction in spatial mismatch of material properties. Moreover, it is shown that a graded ceramic volume fraction in two directions has a higher capability to reduce the natural frequency than conventional one-dimensional functionally graded material. The multidirectional graded material can likely be designed according to the actual requirement and it is a potential alternative to the unidirectional functionally graded material. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
A coupled method, that combines the Ritz method and the finite element (FE) method, is proposed to solve the vibration problem of rectangular thin and thick plates with general boundary conditions. The eigenvalue partial differential equation(s) of the plate is (are) first reduced to a set of eigenvalue ordinary differential equations by the application of the Ritz method. The resulting eigenvalue differential equations are then reduced to an eigenvalue algebraic equation system using the finite element method. The natural boundary conditions of the plate problem including the free edge and free corner boundary conditions are also implemented in a simple and accurate manner. Various boundary conditions including simply supported, clamped and free boundary conditions are considered. Comparisons with existing numerical and analytical solutions show that the proposed mixed method can produce highly accurate results for the problems considered using a small number of Ritz terms and finite elements. The proposed mixed Ritz-FE formulation is also compared with the mixed FE-Ritz formulation which has been recently proposed by the present author and his co-author. It is found that the proposed mixed Ritz-FE formulation is more efficient than the mixed FE-Ritz formulation for free vibration analysis of rectangular plates with Levy-type boundary conditions.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.1
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pp.70-78
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2003
This paper dealt with an experimental study on the hydroelastic vibration of clamped perforated rectangular plates submerged in water. The penetration of holes in the plates had a triangular pattern with P/D (pitch to diameter) 1.750, 2.125, 2.500, 3.000 and 3.750. The natural frequencies of the perforated plates in air were obtained by the analytical method based on the relation between the reference kinetic and maximum potential energy and compared with the experimental results. Good agreement between the results was found for the natural frequencies of the perforated plates in air. It was empirically found that the natural frequencies of the perforated plate in air increase with an increase of P/D, on the other hand, the natural frequencies of the perforated plate in contact with water decrease with an increase of P/D. Additionally. the effect of the submerged depth on the natural frequency was investigated.
Shahabeddin Hatami;Mohammad J. Zarei;Seyyed H. Asghari Pari
Advances in nano research
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v.17
no.1
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pp.19-32
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2024
Functionally graded-carbon nanotube (FG-CNT) is expected to be a new generation of materials with a wide range of potential applications in technological fields such as aerospace, defense, energy, and structural industries. In this paper, an exact finite strip method for functionally graded-carbon nanotube sandwich plates is developed using first-order shear deformation theory to get the exact natural frequencies of the plates. The face sheets of the plates are made of FG-CNT with continuous and smooth grading based on the power law index. The equations of motion have been generated based on the Hamilton principle. By extracting the exact stiffness matrix for any strip of the sandwich plate as a non-algebraic function of natural frequencies, it is possible to calculate the exact free vibration frequencies. The accuracy and efficiency of the current method is established by comparing its findings to the results of the literature works. Examples are presented to prove the efficiency of the generated method to deal with various problems, such as the influence of the length-to-height ratio, the power law index, and a core-to-face sheet thickness of the single and multi-span sandwich plates with various boundary conditions on the natural frequencies. The exact results obtained from this analysis can check the validity and accuracy of other numerical methods.
In this study, an extended Kantorovich method, employing multi-term displacement functions, is applied to analyze the vibration problem of symmetrically laminated plates with arbitrary boundary conditions. The vibration behaviors of laminated plates are determined based on the variational principle of total energy minimization and the iterative Kantorovich method. The out-of-plane displacement is represented in the form of a series of a sum of products of functions in x and y directions. With a known function in the x or y directions, the formulation for the variation of total potential energy is transformed to a set of governing equations and a set of boundary conditions. The equations and boundary conditions are then numerically solved for the natural frequency and vibration mode shape. The solutions are verified with available solutions from the literature and solutions from the Ritz and finite element analysis. In most cases, the natural frequencies compare very well with the reference solutions. The vibration mode shapes are also very well modeled using the multi-term assumed displacement function in the terms of a power series. With the method used in this study, it is possible to solve the angle-ply plate problem, where the Kantorovich method with single-term displacement function is ineffective.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.12
s.105
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pp.1347-1354
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2005
The free vibration characteristics of Al cantilever square plates with a brass inclusion were analyzed experimentally and numerically The experimentally obtained natural frequencies and mode shapes were compared with the FEM analysis results. The impulse exciting method was used for experiment and ANSYS software package was used for FEM analysis. The natural frequencies obtained iron experiment and numerical analysis matched within $0\%$. It was found that the natural frequencies of the Al cantilever square plates with a brass inclusion decrease as the size of inclusion increases. For the third mode shape, comparing the nodal line of the Al plate and the Al plate with a inclusion, the mode shape showed the reversed quadratic curve. The natural frequencies of inclusion plate were decreased as the location of inclusion moves from the clamped edge to the tree edge.
In this study, the rigidities of fiber-reinforced composite corrugated plates are derived to achieve the weight reduction, high strength, and high stiffness. The vibration of the corrugated plates for all the conventional boundary conditions in the plates is analyzed numerically by applying the derived rigidities, and so the analysis system is programmed to obtain the results by using Visual Basic language. Consequently, the characteristics of fiber-reinforced composite corrugated plates can be easily investigated from the results provided by the programmed system.
A powerful analytical procedure and strain energy analysis to investigate the free vibration of antisymmetric angle-ply laminated plates, having one pair of opposite edges simply supported, are develped on the basis of the Yang, Norris and Stavsky (YSN) theory. The equation of motion of the plate are solved by the use of collocation method. A range of results are presented for plates to show the effects of modulus ratio and number of layers on natural frequency. In addition, an analysis of the strain energy distributions is used as an aid for the better understanding of the vibration characteristics of the plates.
An analytical method for the free vibration of two circular plates coupled with an inviscid and compressible fluid is developed by the Rayleigh-Ritz method. The fluid is bounded by a rigid cylindrical vessel and two circular plates with an unequal thickness and diameter. It was found that the theoretical results could predict well the fluid-coupled natural frequencies with an excellent accuracy when compared with the finite element analysis results. As the fluid thickness increases or the plate thickness difference increases, an abrupt curve veering in the natural frequency loci of the neighboring modes and drastic changes in the corresponding mode shapes are observed. The mode localization frequently appears in the higher modes and in the wide gap between the plates because of a decrease in the fluid coupling owing to the fluid dispersion effect.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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