This paper presents a novel finite element model for the free vibration analysis of variable-thickness functionally graded porous (FGP) microplates resting on Pasternak's medium in the hygro-thermal environment. The governing equations are established according to refined higher-order shear deformation plate theory (RPT) in construction with the modified couple stress theory. For the first time, three-node triangular elements with twelve degrees of freedom for each node are developed based on Hermitian interpolation functions to describe the in-plane displacements and transverse displacements of microplates. Two laws of variable thickness of FGP microplates, including the linear law and the nonlinear law in the x-direction are investigated. Effects of thermal and moisture changes on microplates are assumed to vary continuously from the bottom surface to the top surface and only cause tension loads in the plane, which does not change the material's mechanical properties. The numerical results of this work are compared with those of published data to verify the accuracy and reliability of the proposed method. In addition, the parameter study is conducted to explore the effects of geometrical and material properties such as the changing law of the thickness, length-scale parameter, and the parameters of the porosity, temperature, and humidity on the free vibration response of variable thickness FGP microplates. These results can be applied to design of microelectromechanical structures in practice.
This research is devoted to investigate the bending and free vibration behaviour of laminated composite/sandwich plates and shells, by applying an analytical model based on a generalized and simple refined higher-order shear deformation theory (RHSDT) with four independent unknown variables. The kinematics of the proposed theoretical model is defined by an undetermined integral component and uses the hyperbolic shape function to include the effects of the transverse shear stresses through the plate/shell thickness; hence a shear correction factor is not required. The governing differential equations and associated boundary conditions are derived by employing the principle of virtual work and solved via Navier-type analytical procedure. To verify the validity and applicability of the present refined theory, some numerical results related to displacements, stresses and fundamental frequencies of simply supported laminated composite/sandwich plates and shells are presented and compared with those obtained by other shear deformation models considered in this paper. From the analysis, it can be concluded that the kinematics based on the undetermined integral component is very efficient, and its use leads to reach higher accuracy than conventional models in the study of laminated plates and shells.
Zaoui, Fatima Zohra;Tounsi, Abdelouahed;Ouinas, Djamel;Olay, Jaime A. Vina
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.1
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pp.105-119
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2020
In this work, a novel higher-order shear deformation theory (HSDT) for static and free vibration analysis of functionally graded (FG) plates is proposed. Unlike the conventional HSDTs, the proposed theory has a novel displacement field which includes undetermined integral terms and contains fewer unknowns. Equations of motion are obtained by using Hamilton's principle. Analytical solutions for the bending and dynamic investigation are determined for simply supported FG plates. The computed results are compared with 3D and quasi-3D solutions and those provided by other plate theories. Numerical results demonstrate that the proposed HSDT can achieve the same accuracy of the conventional HSDTs which have more number of variables.
The effect of porosity on the thermo-mechanical behavior of simply supported functionally graded plate reposed on the Winkler-Pasternak foundation is investigated analytically in the present paper using new refined hyperbolic shear deformation plate theory. Both even and uneven distribution of porosity are taken into account and the effective properties of FG plates with porosity are defined by theoretical formula with an additional term of porosity. The present formulation is based on a refined higher order shear deformation theory, which is based on four variables and it still accounts for parabolic distribution of the transverse shearing strains and stresses through the thickness of the FG plate and takes into account the various distribution shape of porosity. The elastic foundation is described by the Winkler-Pasternak model. Anew modified power-law formulation is used to describe the material properties of FGM plates in the thickness direction. The closed form solutions are obtained by using Navier technique. The present results are verified in comparison with the published ones in the literature. The results show that the dimensionless and stresses are affected by the porosity volume fraction, constituent volume fraction, and thermal load.
In this article, a higher shear deformation theory (HSDT) is improved to consider the influence of thickness stretching in functionally graded (FG) plates. The proposed HSDT has fewer numbers of variables and equations of motion than the first-order shear deformation theory (FSDT), but considers the transverse shear deformation influences without requiring shear correction coefficients. The kinematic of the present improved HSDT is modified by considering undetermined integral terms in in-plane displacements and a parabolic distribution of the vertical displacement within the thickness, and consequently, the thickness stretching influence is taken into account. Analytical solutions of simply supported FG plates are found, and the computed results are compared with 3D solutions and those generated by other HSDTs. Verification examples demonstrate that the developed theory is not only more accurate than the refined plate theory, but also comparable with the HSDTs which use more number of variables.
This paper presents a high-order shear and normal deformation theory for the bending of FGM plates. The number of unknowns and governing equations of the present theory is reduced, and hence makes it simple to use. Unlike any other theory, the number of unknown functions involved in displacement field is only four, as against five or more in the case of other shear and normal deformation theories. Based on the novel shear and normal deformation theory, the position of neutral surface is determined and the governing equilibrium equations based on neutral surface are derived. There is no stretching-bending coupling effect in the neutral surface-based formulation, and consequently, the governing equations of functionally graded plates based on neutral surface have the simple forms as those of isotropic plates. Navier-type analytical solution is obtained for functionally graded plate subjected to transverse load for simply supported boundary conditions. The accuracy of the present theory is verified by comparing the obtained results with other quasi-3D higher-order theories reported in the literature. Other numerical examples are also presented to show the influences of the volume fraction distribution, geometrical parameters and power law index on the bending responses of the FGM plates are studied.
Zemri, Amine;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.4
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pp.693-710
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2015
This paper presents a nonlocal shear deformation beam theory for bending, buckling, and vibration of functionally graded (FG) nanobeams using the nonlocal differential constitutive relations of Eringen. The developed theory account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the nanobeam, and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the nanobeam. A shear correction factor, therefore, is not required. In addition, this nonlocal nanobeam model incorporates the length scale parameter which can capture the small scale effect and it has strong similarities with Euler-Bernoulli beam model in some aspects such as equations of motion, boundary conditions, and stress resultant expressions. The material properties of the FG nanobeam are assumed to vary in the thickness direction. The equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions are presented for a simply supported FG nanobeam, and the obtained results compare well with those predicted by the nonlocal Timoshenko beam theory.
In this paper, a hyperbolic shear deformation beam theory is developed for free vibration analysis of functionally graded (FG) sandwich beams. The theory account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the beam without using shear correction factors. The material properties of the functionally graded sandwich beam are assumed to vary according to power law distribution of the volume fraction of the constituents. The core layer is still homogeneous and made of an isotropic material. Based on the present refined beam theory, the equations of motion are derived from Hamilton's principle. Navier type solution method was used to obtain frequencies. Illustrative examples are given to show the effects of varying gradients and thickness to length ratios on free vibration of functionally graded sandwich beams.
The functionally graded materials (FGM) used in plates contain probably a porosity volume fraction which needs taking into account this aspect of imperfection in the mechanical bahavior of such structures. The present work aims to study the effect of the distribution forms of porosity on the bending of simply supported FG plate reposed on the Winkler-Pasternak foundation. A refined theory of shear deformation is developed to study the effect of the distribution shape of porosity on static behavior of FG plates. It was found that the distribution form of porosity significantly influence the mechanical behavior of FG plates, in terms of deflection, normal and shear stress. It can be concluded that the proposed theory is simple and precise for the resolution of the behavior of flexural FGM plates resting on elastic foundations while taking into account the shape of distribution of the porosity.
Attia, Amina;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.;Alwabli, Afaf S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.65
no.4
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pp.453-464
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2018
In this paper, an efficient higher-order shear deformation theory is presented to analyze thermomechanical bending of temperature-dependent functionally graded (FG) plates resting on an elastic foundation. Further simplifying supposition are made to the conventional HSDT so that the number of unknowns is reduced, significantly facilitating engineering analysis. These theory account for hyperbolic distributions of the transverse shear strains and satisfy the zero traction boundary conditions on the surfaces of the plate without using shear correction factors. Power law material properties and linear steady-state thermal loads are assumed to be graded along the thickness. Nonlinear thermal conditions are imposed at the upper and lower surface for simply supported FG plates. Equations of motion are derived from the principle of virtual displacements. Analytical solutions for the thermomechanical bending analysis are obtained based on Fourier series that satisfy the boundary conditions (Navier's method). Non-dimensional results are compared for temperature-dependent FG plates and validated with those of other shear deformation theories. Numerical investigation is conducted to show the effect of material composition, plate geometry, and temperature field on the thermomechanical bending characteristics. It can be concluded that the present theory is not only accurate but also simple in predicting the thermomechanical bending responses of temperature-dependent FG plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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