The use of functionally graded materials in applications involving severe thermal gradients is quickly gaining acceptance in the composite mechanics community, the aerospace and aircraft industry. In the present study, a refined sandwich plate model is applied to study the free vibration analysis of porous functionally graded material (FGM) sandwich plates with various distribution rate of porosity. Two types of common FG sandwich plates are considered. The first sandwich plate is composed of two FG material (FGM) face sheets and a homogeneous ceramic or metal core. The second one consists of two homogeneous fully metal and ceramic face sheets at the top and bottom, respectively, and a FGM core. The displacement field of the present theory is chosen based on nonlinear variations in the in-plane displacements through the thickness of the sandwich plate. The number of unknowns and equations of motion of the present theory is reduced and hence makes them simple to use. In the analysis, the equation of motion for simply supported sandwich plates is obtained using Hamilton's principle. In order to present the effect of the variation of the porosity distribution on the dynamic behavior of the FGM sandwich plates, new mixtures are proposed which take into account different rate of porosity distribution between the ceramic and the metal. The present method is applicable to study the dynamic behavior of FGM plates and sandwich plates. The frequencies of two kinds of FGM sandwich structures are analyzed and discussed. Several numerical results have been compared with the ones available in the literature.
The dynamic response of stiffened rectangular plate subjected to a concentrated force or mass moving at constant speed is analyzed by using finite- element method. Stiffened plates are modelled as an assembly of isotropic thin plate elements and equivalent Euler beam ones, in which the beam elements represent the stiffener effects concentrated at the attached lines of stiffeners to the plates. The Newmark's time integration method is used to obtain the dynamic response of stiffened plates. Numerical examples are given to verify the validity of the presented method and also to investigate the effects of speed and moving mass on the dynamic characteristics of stiffened plates.
This research investigates the free vibration analysis of advanced composite plates such as functionally graded plates (FGPs) resting on a two-parameter elastic foundations using a hybrid quasi-3D (trigonometric as well as polynomial) higher-order shear deformation theory (HSDT). This present theory, which does not require shear correction factor, accounts for shear deformation and thickness stretching effects by a sinusoidal and parabolic variation of all displacements across the thickness. Governing equations of motion for FGM plates are derived from Hamilton's principle. The closed form solutions are obtained by using Navier technique, and natural frequencies are found, for simply supported plates, by solving the results of eigenvalue problems. The accuracy of the present method is verified by comparing the obtained results with First-order shear deformation theory, and other predicted by quasi-3D higher-order shear deformation theories. It can be concluded that the proposed theory is efficient and simple in predicting the natural frequencies of functionally graded plates on elastic foundations.
Analytical solutions to problems are crucial because they provide high-quality comparison data for assessing the accuracy of numerical solutions. Benchmark analytical solutions for the vibrations of cracked functionally graded material (FGM) plates are not available in the literature because of the high level of complexity of such solutions. On the basis of first-order shear deformation plate theory (FSDT), this study proposes analytical series solutions for the vibrations of FGM rectangular plates with side or internal cracks parallel to an edge of the plates by using Fourier cosine series and the domain decomposition technique. The distributions of FGM properties along the thickness direction are assumed to follow a simple power law. The proposed analytical series solutions are validated by performing comprehensive convergence studies on the vibration frequencies of cracked square plates with various crack lengths and under various boundary condition combinations and by performing comparisons with published results based on various plate theories and the theory of three-dimensional elasticity. The results reveal that the proposed solutions are in excellent agreement with literature results obtained using the Ritz method on the basis of FSDT. The paper also presents tabulations of the first six nondimensional frequencies of cracked rectangular Al/Al2O3 FGM plates with various aspect ratios, thickness-to-width ratios, crack lengths, and FGM power law indices under six boundary condition combinations, the tabulated frequencies can serve as benchmark data for assessing the accuracy of numerical approaches based on FSDT.
This study presents free vibration analyses of perforates steel plates with various cutouts. Four different parameters (shape, size, curvature radius ratio, and rotation of cutouts) were considered to investigate the effects of those parameters on the free vibration characteristics, such as natural frequencies of the perforated steel plates. Three different shapes of cutouts are circle, square, and triangle, and the considered sizes are 5, 10, 15, 20, and 25 mm. For the triangular and square cutouts, the characteristic radii of the inscribed circles of those cutouts were defined. In addition, the curvature radius ratio was defined as the ratio of curvature radius of bluntness and the characteristic radius. Then, total seven different curvature radius ratios (0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, and 1) were considered. To investigate the rotation effect of the cutouts, it was considered four rotations ($0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, and $45^{\circ}$) for the square cutouts and three rotations (0, 15, and 30) for the triangular cutouts. All the free vibration analyses were conducted using a general purpose finite element program. From the analyses we found that the most influential parameter for the free vibration response of the perforated plates is the size of cutout. The other factors such as the shape, curvature radius ratio, and rotation are minors; they mainly change the natural frequency as long as the size effect is accompanied.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.12
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pp.2306-2314
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1992
Using the Lagrangian equation, nonlinear vibration analysis of laminated hybrid composite plates is carried out. The effects of stacking sequences, aspect ratios, number of modes, number of layers and various elastic properties on nonlinear vibration are investigated. The presence of bending-extension coupling in antisymmetric plates yields a second power term in addition to a cubic nonlinear term in governing differential equation of motion. In the other symmetric case, this second term vanishes. The fundamental frequency of analytic results are compared with that of ABAQUS FEM analysis. For nonlinear vibration of antisymmetric unimaterial plate, the result of reference is presented for comparison with this result.
This paper presents a theoretical analysis for the free vibration of rectangular tanks partially filled with an ideal liquid. Wet dynamic displacements of the tanks are approximated by combining the orthogonal polynomials satisfying the boundary conditions, since the rectangular tanks are composed of four rectangular plates. The classical boundary conditions of the tanks at the top and bottom ends are considered, such as clamped, simply supported, and clamped-free boundary conditions. As the facing rectangular plates are assumed to be geometrically and structurally identical, the vibration modes of the facing plates of the tanks can be divided into two categories: symmetric and antisymmetric modes with respect to the planes passing through the center of the tanks and perpendicular to the free liquid surface. The liquid displacement potentials satisfying the Laplace equation and liquid boundary conditions are derived, and the wet dynamic modal functions of a quarter of the tanks can be expanded by the finite Fourier transform for compatibility requirements along the contacting surfaces between the tanks and liquid. An eigenvalue problem is derived using the Rayleigh-Ritz method. Consequently, the wet natural frequencies of the rectangular tanks can be extracted. The proposed analytical method is verified by observing an excellent agreement with three-dimensional finite element analysis results. The effects of the liquid level and boundary condition at the top and bottom edges are investigated.
This study presents a comprehensive nonlinear dynamic approach to investigate the linear and nonlinear vibration of sandwich plates fabricated from functionally graded materials (FGMs) resting on an elastic foundation. Higher-order shear deformation theory and Hamilton's principle are employed to obtain governing equations. The Runge-Kutta method is employed together with the commercially available mathematical software MAPLE 14 to solve the set of nonlinear dynamic governing equations. Method validity is evaluated by comparing the results of this study and those of previous research. Good agreement is achieved. The effects of temperature change on frequencies are investigated considering various temperatures and various volume fraction index values, N. As the temperature increased, the plate frequency decreased, whereas with increasing N, the plate frequency increased. The effects of the side-to-thickness ratio, c/h, on natural frequencies were investigated. With increasing c/h, the frequencies increased nonlinearly. The effects of foundation stiffness on nonlinear vibration of the sandwich plate were also studied. Backbone curves presenting the variation of maximum displacement with respect to plate frequency are presented to provide insight into the nonlinear vibration and dynamic behavior of FGM sandwich plates.
A simple hyperbolic shear deformation theory taking into account transverse shear deformation effects is proposed for the free flexural vibration analysis of thick functionally graded plates resting on elastic foundations. By considering further supposition, the present formulation introduces only four unknowns and its governing equations are therefore reduced. Hamilton's principle is employed to obtain equations of motion and Navier-type analytical solutions for simply-supported plates are compared with the available solutions in literature to check the accuracy of the proposed theory. Numerical results are computed to examine the effects of the power-law index and side-to-thickness ratio on the natural frequencies.
A semi-analytical method is presented for accurately prediction of the free vibration behavior of generally laminated composite plates with arbitrary boundary conditions. The method employs the technique of separation of spatial variables within Hamilton's principle to obtain the equations of motion, including two systems of coupled ordinary homogeneous differential equations. Subsequently, by applying the laminate constitutive relations into the resulting equations two sets of coupled ordinary differential equations with constant coefficients, in terms of displacements, are achieved. The obtained differential equations are solved for the natural frequencies and corresponding mode shapes, with the use of the exact state-space approach. The formulation is exploited in the framework of the first-order shear deformation theory to incorporate the effects of transverse shear deformation and rotary inertia. The efficiency and accuracy of the present method are demonstrated by obtaining solutions to a wide range of problems and comparing them with finite element analysis and previously published results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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