This paper presents an analysis of the bending, buckling and free vibration of functionally graded sandwich beams resting on elastic foundation by using a refined quasi-3D theory in which both shear deformation and thickness stretching effects are included. The displacement field contains only three unknowns, which is less than the number of parameters of many other shear deformation theories. In order to homogenize the micromechanical properties of the FGM sandwich beam, the material properties are derived on the basis of several micromechanical models such as Tamura, Voigt, Reuss and many others. The principle of virtual works is used to obtain the equilibrium equations. The elastic foundation is modeled using the Pasternak mathematical model. The governing equations are obtained through the Hamilton's principle and then are solved via Navier solution for the simply supported beam. The accuracy of the proposed theory can be noticed by comparing it with other 3D solution available in the literature. A detailed parametric study is presented to show the influence of the micromechanical models on the general behavior of FG sandwich beams on elastic foundation.
The analysis of nonlinear vibrations, buckling, post-buckling, flutter boundary determination and post-flutter behavior of a homogeneous curved plate assuming cylindrical bending is conducted in this article. Other assumptions include simply-supported boundary conditions, supersonic aerodynamic flow at the top of the plate, constant pressure conditions below the plate, non-viscous flow model (using first- and third-order piston theory), nonlinear structural model with large deformations, and application of mechanical and thermal loads on the curved plate. The analysis is performed with constant environmental indicators (flow density, heat, Reynolds number and Mach number). The material properties (i.e., coefficient of thermal expansion and modulus of elasticity) are temperature-dependent. The equations are derived using the principle of virtual displacement. Furthermore, based on the definitions of virtual work, the potential and kinetic energy of the final relations in the integral form, and the governing nonlinear differential equations are obtained after fractional integration. This problem is solved using two approaches. The frequency analysis and flutter are studied in the first approach by transferring the handle of ordinary differential equations to the state space, calculating the system Jacobin matrix and analyzing the eigenvalue to determine the instability conditions. The second approach discusses the nonlinear frequency analysis and nonlinear flutter using the semi-analytical solution of governing differential equations based on the weighted residual method. The partial differential equations are converted to ordinary differential equations, after which they are solved based on the Runge-Kutta fourth- and fifth-order methods. The comparison between the results of frequency and flutter analysis of curved plate is linearly and nonlinearly performed for the first time. The results show that the plate curvature has a profound impact on the instability boundary of the plate under supersonic aerodynamic loading. The flutter boundary decreases with growing thermal load and increases with growing curvature.
In this paper, the effect of homogenization models on stress analysis is presented for functionally graded plates (FGMs). The derivation of the effective elastic proprieties of the FGMs, which are a combination of both ceramic and metallic phase materials, is of most of importance. The majority of studies in the last decade, the Voigt homogenization model explored to derive the effective elastic proprieties of FGMs at macroscopic-scale in order to study their mechanical responses. In this work, various homogenization models were used to derive the effective elastic proprieties of FGMs. The effect of these models on the stress analysis have also been presented and discussed through a comparative study. So as to show this effect, a refined plate theory is formulated and evaluated, the number of unknowns and governing equations were reduced by dividing the transverse displacement into both bending and shear parts. Based on sinusoidal variation of displacement field trough the thickness, the shear stresses on top and bottom surfaces of plate were vanished and the shear correction factor was avoided. Governing equations of equilibrium were derived from the principle of virtual displacements. Analytical solutions of the stress analysis were obtained for simply supported FGM plates. The obtained results of the displacements and stresses were compared with those predicted by other plate theories available in the literature. This study demonstrates the sensitivity of the obtained results to different homogenization models and that the results generated may vary considerably from one theory to another. Finally, this study offers benchmark results for the multi-scale analysis of functionally graded plates.
The vergence control method is presented for a parallel-axls stereo camera (PASC) using a signal processing technique such as shift, (rotation), and scaling. The PASC is considered as the simplest one of binocular stereo cameras. However, its major limitation lies in the controllability of vergence since its left and right imaging sensors of CCDs are fixed. On the other hand, a horizontal-moving-axis stereo camera (HMASC) with movable imaging sensors is able to control the vergence by moving its CCDs horizontally. In spite of its vergence controllability, there is a major drawback in the implementation because of complicated mechanical structure and the additional cost. To overcome the vergence control problem of the PASC, an operational principle of the HMASC is applied to the PASC. To be specific, without any additional hardware the vergence control problem of the PASC is solved with the signal processing technique. Assuming the virtual displacement between CCD's, a disappearing part of acquired images is removed and the original image site is recovered via interpolation. Experimental results show that the vergence control between stereo images captured by the PASC it possible with an acceptable degradation of the image quality defending on the virtual displacement of CCDs.
This paper presents the mechanical buckling of bi-directional functionally graded sandwich beams (BFGSW) with various boundary conditions employing a quasi-3D beam theory, including an integral term in the displacement field, which reduces the number of unknowns and governing equations. The beams are composed of three layers. The core is made from two constituents and varies across the thickness; however, the covering layers of the beams are made of bidirectional functionally graded material (BFGSW) and vary smoothly along the beam length and thickness directions. The power gradation model is considered to estimate the variation of material properties. The used formulation reflects the transverse shear effect and uses only three variables without including the correction factor used in the first shear deformation theory (FSDT) proposed by Timoshenko. The principle of virtual forces is used to obtain stability equations. Moreover, the impacts of the control of the power-law index, layer thickness ratio, length-to-depth ratio, and boundary conditions on buckling response are demonstrated. Our contribution in the present work is applying an analytical solution to investigate the stability behavior of bidirectional FG sandwich beams under various boundary conditions.
This study attempts to shed light on the coupled impact of types of loading, thickness stretching, and types of variation of Winkler-Pasternak foundations on the flexural behavior of simply- supported FG plates according to the new quasi-3D high order shear deformation theory, including integral terms. A new function sheep is used in the present work. In particular, both Winkler and Pasternak layers are non-uniform and vary along the plate length direction. In addition, the interaction between the loading type and the variation of Winkler-Pasternak foundation parameters is considered and involved in the governing equilibrium equations. Using the virtual displacement principle and Navier's solution technique, the numerical results of non-dimensional stresses and displacements are computed. Finally, the non-dimensional formulas' results are validated with the existing literature, and excellent agreement is detected between the results. More importantly, several complementary parametric studies with the effect of various geometric and material factors are examined. The present analytical model is suitable for investigating the bending of simply-supported FGM plates for special technical engineering applications.
In this work, a high order hyperbolic shear deformation theory with four variables is presented to study the vibratory behavior of functionally graduated plates. The field of displacement of the theory used in this work is introduced indeterminate integral variables. In addition, the effect of porosity is studied. It is assumed that the material characteristics of the porous FGM plate, varies continuously in the direction of thickness as a function of the power law model in terms of volume fractions of constituents taken into account the homogeneous distribution of porosity. The equations of motion are obtained using the principle of virtual work. An analytical solution of the Navier type for free vibration analysis is obtained for a FGM plate for simply supported boundary conditions. A comparison of the results obtained with those of the literature is made to verify the accuracy and efficiency of the present theory. It can be concluded from his results that the current theory is not only accurate but also simple for the presentation of the response of free vibration and the effect of porosity on the latter.
This paper focuses on geometrically non-linear static analysis of a simply supported beam made of hyperelastic material subjected to a non-follower transversal uniformly distributed load. As it is known, the line of action of follower forces is affected by the deformation of the elastic system on which they act and therefore such forces are non-conservative. The material of the beam is assumed as isotropic and hyperelastic. Two types of simply supported beams are considered which have the following boundary conditions: 1) There is a pin at left end and a roller at right end of the beam (pinned-rolled beam). 2) Both ends of the beam are supported by pins (pinned-pinned beam). In this study, finite element model of the beam is constructed by using total Lagrangian finite element model of two dimensional continuum for a twelve-node quadratic element. The considered highly non-linear problem is solved by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. In order to use the solution procedures of Newton-Raphson type, there is need to linearized equilibrium equations, which can be achieved through the linearization of the principle of virtual work in its continuum form. In the study, the effect of the large deflections and rotations on the displacements and the normal stress and the shear stress distributions through the thickness of the beam is investigated in detail. It is known that in the failure analysis, the most important quantities are the principal normal stresses and the maximum shear stress. Therefore these stresses are investigated in detail. The convergence studies are performed for various numbers of finite elements. The effects of the geometric non-linearity and pinned-pinned and pinned-rolled support conditions on the displacements and on the stresses are investigated. By using a twelve-node quadratic element, the free boundary conditions are satisfied and very good stress diagrams are obtained. Also, some of the results of the total Lagrangian finite element model of two dimensional continuum for a twelve-node quadratic element are compared with the results of SAP2000 packet program. Numerical results show that geometrical nonlinearity plays very important role in the static responses of the beam.
In this work, the dynamic response of functionally graded beams on variable elastic foundations is studied using a novel higher-order shear deformation theory (HSDT). Unlike the conventional HSDT, the present one has a new displacement field which introduces undetermined integral variables. The FG beams were assumed to be supported on Winkler-Pasternak type foundations in which the Winkler modulus is supposed to be variable in the length of the beam. The variable rigidity of the elastic foundation is assumed to be linear, parabolic and sinusoidal along the length of the beam. The material properties of the FG porous beam vary according to a power law distribution in terms of the volume fraction of the constituents. The equations of motion are determined using the virtual working principle. For the analytical solution, Navier method is used to solve the governing equations for simply supported porous FG beams. Numerical results of the present theory for the free vibration of FG beams resting on elastic foundations are presented and compared to existing solutions in the literature. A parametric study will be detailed to investigate the effects of several parameters such as gradient index, thickness ratio, porosity factor and foundation parameters on the frequency response of porous FG beams.
In the present paper, functionally graded (FG) materials are presented to investigate the bending analysis of simply supported plates. It is assumed that the material properties of the plate vary through their length according to the power-law form. The displacement field of the present model is selected based on quasi-3D hyperbolic shear deformation theory. By splitting the deflection into bending, shear and stretching parts, the number of unknowns and equations of motion of the present formulation is reduced and hence makes them simple to use. Governing equations are derived from the principle of virtual displacements. Numerical results for deflections and stresses of powerly graded plates under simply supported boundary conditions are presented. The accuracy of the present formulation is demonstrated by comparing the computed results with those available in the literature. As conclusion, this theory is as accurate as other shear deformation theories and so it becomes more attractive due to smaller number of unknowns. Some numerical results are provided to examine the effects of the material gradation, shear deformation on the static behavior of FG plates with variation of material stiffness through their length.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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