Abdelhak, Zohra;Hadji, Lazreg;Daouadji, T. Hassaine;Adda Bedia, E.A.
Smart Structures and Systems
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제18권2호
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pp.267-291
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2016
In this research work, an exact analytical solution for thermal buckling analysis of functionally graded material (FGM) sandwich plates with clamped boundary condition subjected to uniform, linear, and non-linear temperature rises across the thickness direction is developed. Unlike any other theory, the number of unknown functions involved is only four, as against five in case of other shear deformation theories. The theory accounts for parabolic distribution of the transverse shear strains, and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the plate without using shear correction factor. A power law distribution is used to describe the variation of volume fraction of material compositions. Equilibrium and stability equations are derived based on the present refined theory. The non-linear governing equations are solved for plates subjected to simply supported and clamped boundary conditions. The thermal loads are assumed to be uniform, linear and non-linear distribution through-the-thickness. The effects of aspect and thickness ratios, gradient index, on the critical buckling are all discussed.
This work presents a comparison between analytical and finite element analysis for bending of porous sandwich functionally graded material (FGM) plates. The plate is rectangular and simply supported under static sinusoidal loading. Material properties of FGM are assumed to vary continuously across the face sheets thickness according to a power-law function in terms of the volume fractions of the constituents while the core is homogeneous. Four types of porosity are considered. A refined higher-order shear with normal deformation theory is used. The number of unknowns in this theory is five, as against six or more in other shear and normal deformation theories. This theory assumes the nonlinear variation of transverse shear stresses and satisfies its nullity in the top and bottom surfaces of the plate without the use of a shear correction factor. The governing equations of equilibrium are derived from the virtual work principle. The Navier approach is used to solve equilibrium equations. The constitutive law of the porous FGM sandwich plate is implemented for a 3D finite element through a subroutine in FORTRAN (UMAT) in Abaqus software. Results show good agreement between the finite element model and the analytical method for some results, but the analytical method keeps giving symmetric results even with the thickness stretching effect and load applied to the top surface of the sandwich.
Thermal buckling of functionally graded sandwich cylindrical shells is presented in this study. Material properties and thermal expansion coefficient of FGM layers are assumed to vary continuously through the thickness according to a sigmoid function and simple power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. Equilibrium and stability equations of FGM sandwich cylindrical shells with simply supported boundary conditions are derived according to the Donnell theory. The influences of cylindrical shell geometry and the gradient index on the critical buckling temperature of several kinds of FGM sandwich cylindrical shells are investigated. The thermal loads are assumed to be uniform, linear and nonlinear distribution across the thickness direction. An exact simple form of nonlinear temperature rise through its thickness taking into account the thermal conductivity and the inhomogeneity parameter is presented.
In this paper, free vibration of a sandwich curved beam with a functionally graded (FG) core was investigated. Closed-form formulations of two-dimensional (2D) refined higher order beam theory (RHOBT) without neglecting the amount of z/R was derived and used. The present RHOBT analysis incorporated a trapezoidal shape factor that arose due to the fact that stresses through the beam thickness were integrated over a curved surface. The solutions presented herein were compared with the available numerical and analytical solutions in the related literature and excellent agreement was obtained. Effects of some dimensionless parameters on the structural response were investigated to show their effects on fundamental natural frequency of the curved beam. In all the cases, variations of the material constant number were calculated and presented. Effect of changing ratio of core to beam thickness on the fundamental natural frequency depended on the amount of the material constant number.
This research deals with the nonlocal temperature-dependent dynamic buckling analysis of embedded sandwich micro plates reinforced by functionally graded carbon nanotubes (FG-CNTs). The material properties of structure are assumed viscoelastic based on Kelvin-Voigt model. The effective material properties of structure are considered based on mixture rule. The elastic medium is simulated by orthotropic visco-Pasternak medium. The motion equations are derived applying Sinusoidal shear deformation theory (SSDT) in which the size effects are considered using Eringen's nonlocal theory. The differential quadrature (DQ) method in conjunction with the Bolotin's methods is applied for calculating resonance frequency and dynamic instability region (DIR) of structure. The effects of different parameters such as volume percent of CNTs, distribution type of CNTs, temperature, nonlocal parameter and structural damping on the dynamic instability of visco-system are shown. The results are compared with other published works in the literature. Results indicate that the CNTs have an important role in dynamic stability of structure and FGX distribution type is the better choice.
In this paper, an exact analytical solution for simply supported sandwich plate which considers the permeation effect of adhesives is presented. The permeation layer is described as functionally graded material (FGM), the elastic modulus of which is assumed to be graded along the thickness following the exponential law. Based on the exact three-dimensional (3-D) elasticity theory, the solution of stresses and displacements for each layer is derived. By means of the recursive matrix method, the solution can be efficiently obtained for plates with many layers. The present solution obtained can be used as a benchmark to access other simplified solutions. The comparison study indicates that the finite element (FE) solution is close to the present one when the FGM layer in the FE model is divided into a series of homogeneous layers. However, the present method is more efficient than the FE method, with which the mesh division and computation are time-consuming. Moreover, the solution based on Kirchhoff-Love plate theory is greatly different from the present solution for thick plates. The influence of the thickness of the permeation layer on the stress and displacement fields of the sandwich plate is discussed in detail. It is indicated that the permeation layer can effectively relieve the discontinuity stress at the interface.
Thermo-mechanical vibration of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) is investigated within the framework of Timoshenko beam theory. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture and are considered to be temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and are solved using an efficient semi-analytical technique of the differential transform method (DTM). Comparison between the results of the present work and those available in literature shows the accuracy of this method. A parametric study is conducted to study the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and various boundary conditions on free vibration behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. It is explicitly shown that the vibration characteristics of the curved nanosize beams are significantly influenced by the surface density effects.
In this article, the free vibration analysis of annular sandwich plates with various functionally graded (FG) porous cores and carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) facesheets is investigated based on modified couple stress theory (MCST) and first order shear deformation theories (FSDT). The annular sandwich plate is composed of two face layers and a functionally graded porous core layer which contains different porosity distributions. Various approaches such as extended mixture rule (EMR), Eshelby-Mori-Tanaka (E-M-T), and Halpin-Tsai (H-T) are used to determine the effective material properties of microcomposite circular sandwich plate. The governing equations of motion are extracted by using Hamilton's principle and FSDT. A Ritz method has been utilized to calculate the natural frequency of an annular sandwich plate. The effects of material length scale parameters, boundary conditions, aspect and inner-outer radius ratios, FG porous distributions, pore compressibility and volume fractions of CNTs are considered. The results are obtained by Ritz solutions that can be served as benchmark data to validate their numerical and analytical methods in the future work and also in solid-state physics, materials science, and micro-electro-mechanical devices.
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.
Based on the Reissner mixed variational theorem (RMVT), finite rectangular layer methods (FRLMs) are developed for the three-dimensional (3D) linear buckling analysis of simply-supported, fiber-reinforced composite material (FRCM) and functionally graded material (FGM) sandwich plates subjected to bi-axial compressive loads. In this work, the material properties of the FGM layers are assumed to obey the power-law distributions of the volume fractions of the constituents through the thickness, and the plate is divided into a number of finite rectangular layers, in which the trigonometric functions and Lagrange polynomials are used to interpolate the in- and out-of-plane variations of the field variables of each individual layer, respectively, and an h-refinement process is adopted to yield the convergent solutions. The accuracy and convergence of the RMVT-based FRLMs with various orders used for expansions of each field variables through the thickness are assessed by comparing their solutions with the exact 3D and accurate two-dimensional ones available in the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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