In this paper, the free vibrations of a short cylindrical nanotube made of piezoelectric material are studied based on the consistent couple stress theory and using the shear deformable cylindrical theory. This new model has only one length scale parameter and can consider the size effects of nanostructures in nanoscale. To model size effects in nanoscale, and considering the nanotube material which is piezoelectric, the consistent couple stress theory is used. First, using Hamilton's principle, the equations of motion and boundary condition of the piezoelectric cylindrical nanoshell are developed. Afterwards, using Navier approach and extended Kantorovich method (EKM), the governing equations of the system with simple-simple (S-S) and clamped-clamped (C-C) supports are solved. Afterwards, the effects of size parameter, geometric parameters (nanoshell length and thickness), and mechanical and electric properties (piezoelectric effect) on nanoshell vibrations are investigated. Results demonstrate that the natural frequency on nanoshell in nanoscale is extremely dependent on nanoshell size. Increase in size parameter, thickness and flexoelectric effect of the material leads to increase in frequency of vibrations. Moreover, increased nanoshell length and diameter leads to decreased vibration frequency.
Abdollahi, Mahdieh;Saidi, Ali Reza;Bahaadini, Reza
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.4
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pp.437-452
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2022
For the first time, the higher-order shear and normal deformable plate theory (HOSNDPT) is used for the vibration and flutter analyses of the multilayer functionally graded graphene platelets reinforced composite (FG-GPLRC) plates under supersonic airflow. For modeling the supersonic airflow, the linear piston theory is adopted. In HOSNDPT, Legendre polynomials are used to approximate the components of the displacement field in the thickness direction. So, all stress and strain components are encountered. Either uniform or three kinds of non-uniform distribution of graphene platelets (GPLs) into polymer matrix are considered. The Young modulus of the FG-GPLRC plate is estimated by the modified Halpin-Tsai model, while the Poisson ratio and mass density are determined by the rule of mixtures. The Hamilton's principle is used to obtain the governing equations of motion and the associated boundary conditions of the plate. For solving the plate's equations of motion, the Galerkin approach is applied. A comparison for the natural frequencies obtained based on the present investigation and those of three-dimensional elasticity theory shows a very good agreement. The flutter boundaries for FG-GPLRC plates based on HOSNDPT are described and the effects of GPL distribution patterns, the geometrical parameters and the weight fraction of GPLs on the flutter frequencies and flutter aerodynamic pressure of the plate are studied in detail. The obtained results show that by increasing 0.5% of GPLs into polymer matrix, the flutter aerodynamic pressure increases approximately 117%, 145%, 166% and 196% for FG-O, FG-A, UD and FG-X distribution patterns, respectively.
An efficient and free of shear locking finite element model is developed and employed to study free vibration of tapered bidirectional functionally graded material (BFGM) beams. The beam material is assumed to be formed from four distinct constituent materials whose volume fraction continuously varies along the longitudinal and thickness directions by power-law functions. The finite element formulation based on the first-order shear deformation theory is derived by using hierarchical functions to interpolate the displacement field. In order to improve efficiency and accuracy of the formulation, the shear strain is constrained to constant and the exact variation of the cross-sectional profile is employed to compute the element stiffness and mass matrices. A comprehensive parametric study is carried out to highlight the influence of the material distribution, the taper and aspect ratios as well as the boundary conditions on the vibration characteristics. Numerical investigation reveals that the proposed model is efficient, and it is capable to evaluate the natural frequencies of BFGM beams by using a small number of the elements. It is also shown that the effect of the taper ratio on the fundamental frequency of the BFGM beams is significantly influenced by the boundary conditions. The present results are of benefit to optimum design of tapered FGM beam structures.
Jie Wen;Abdul Hamid Sheikh;Md. Alhaz Uddin;A.B.M. Saiful Islam;Md. Arifuzzaman
Steel and Composite Structures
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v.48
no.6
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pp.693-708
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2023
Composite beams, two materials joined together, have become more common in structural engineering over the past few decades because they have better mechanical and structural properties. The shear connectors between their layers exhibit some deformability with finite stiffness, resulting in interfacial shear slip, a phenomenon known as partial shear interaction. Such a partial shear interaction contributes significantly to the composite beams. To provide precise predictions of the geometric nonlinear behavior shown by two-layered composite beams with interfacial shear slips, a robust analytical model has been developed that incorporates the influence of significant displacements. The application of a higher-order beam theory to the two material layers results in a third-order adjustment of the longitudinal displacement within each layer along the depth of the beam. Deformable shear connectors are employed at the interface to represent the partial shear interaction by means of a sequence of shear connectors that are evenly distributed throughout the beam's length. The Von-Karman theory of large deflection incorporates geometric nonlinearity into the governing equations, which are then solved analytically using the Navier solution technique. Suggested model exhibits a notable level of agreement with published findings, and numerical outputs derived from finite element (FE) model. Large displacement substantially reduces deflection, interfacial shear slip, and stress values. Geometric nonlinearity has a significant impact on beams with larger span-to-depth ratio and a greater degree of shear connector deformability. Potentially, the analytical model can accurately predict the geometric nonlinear responses of composite beams. The model has a high degree of generality, which might aid in the numerical solution of composite beams with varying configurations and shear criteria.
In this work, free vibration characteristics of functionally graded piezoelectric (FGP) nanobeams based on third order parabolic shear deformation beam theory are studied by presenting a Navier type solution as the first attempt. Electro-mechanical properties of FGP nanobeam are supposed to change continuously throughout the thickness based on power-law model. To capture the small size effects, Eringen's nonlocal elasticity theory is adopted. Using Hamilton's principle, the nonlocal governing equations for third order shear deformable piezoelectric FG nanobeams are obtained and they are solved applying analytical solution. By presenting some numerical results, it is demonstrated that the suggested model presents accurate frequency results of the FGP nanobeams. The influences of several parameters including, external electric voltage, power-law exponent, nonlocal parameter and mode number on the natural frequencies of the size-dependent FGP nanobeams is discussed in detail.
In this work we introduce a higher-order hyperbolic shear deformation model for bending and frees vibration analysis of functionally graded beams. In this theory and by making a further supposition, the axial displacement accounts for a refined hyperbolic distribution, and the transverse shear stress satisfies the traction-free boundary conditions on the beam boundary surfaces, so no need of any shear correction factors (SCFs). The material properties are continuously varied through the beam thickness by the power-law distribution of the volume fraction of the constituents. Based on the present refined hyperbolic shear deformation beam model, the governing equations of motion are obtained from the Hamilton's principle. Analytical solutions for simply-supported beams are developed to solve the problem. To verify the precision and validity of the present theory some numerical results are compared with the existing ones in the literature and a good agreement is showed.
Ahouel, Mama;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bedia, E.A. Adda;Tounsi, Abdelouahed
Steel and Composite Structures
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v.20
no.5
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pp.963-981
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2016
A nonlocal trigonometric shear deformation beam theory based on neutral surface position is developed for bending, buckling, and vibration of functionally graded (FG) nanobeams using the nonlocal differential constitutive relations of Eringen. The present model is capable of capturing both small scale effect and transverse shear deformation effects of FG nanobeams, and does not require shear correction factors. The material properties of the FG nanobeam are assumed to vary in the thickness direction. The equations of motion are derived by employing Hamilton's principle, and the physical neutral surface concept. 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.
Kar, Vishesh R.;Panda, Subrata K.;Mahapatra, Trupti R.
Advances in materials Research
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v.5
no.4
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pp.205-221
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2016
In this article, the buckling responses of functionally graded curved (spherical, cylindrical, hyperbolic and elliptical) shell panels under elevated temperature load are investigated numerically using finite element steps. The effective material properties of the functionally graded shell panel are evaluated using Voigt's micromechanical model through the power-law distribution with and without temperature dependent properties. The mathematical model is developed using the higher-order shear deformation theory in conjunction with Green-Lagrange type nonlinear strain to consider large geometrical distortion under thermal load. The efficacy of the proposed model has been checked and the effects of various geometrical and material parameters on the buckling load are analysed in details.
In this article, nonlinear free vibration behaviour of functionally graded spherical panel is analysed. A nonlinear mathematical model is developed based on higher order shear deformation theory for shallow shell by taking Green-Lagrange type of nonlinear kinematics. The material properties of functionally graded material are assumed to be varying continuously in transverse direction and evaluated using Voigt micromechanical model in conjunction with power-law distribution. The governing equation of the shell panel is obtained using Hamilton's principle and discretised with the help of nonlinear finite element method. The desired responses are evaluated through a direct iterative method. The present model has been validated by comparing the frequency ratio (nonlinear frequency to linear frequency) with those available published literatures. Finally, the effect of geometrical parameters (curvature ratio, thickness ratio, aspect ratio and support condition), power law indices and amplitude of vibration on the frequency ratios of spherical panel have been discussed through numerical experimentations.
Impact behaviors of the large deformable composites of Kevlar fiber reinforced composites of different preform structures have been investigated. An analytic tool was developed to characterize the impact behavior of the Kevlar composites. The image analysis technique, and deply technique were employed to develop energy balance equation under impact loading. An energy method was employed to establish the impact energy absorption mechanism of Kevlar multiaxial warp knitted composites. The total impact energy was classified into four categories including delamination energy, membrane energy, bending energy and rebounding energy under low velocity impact. Membrane and bending energy were calculated from the image analysis of the deformed shape of impacted specimen and delamination energy was calculated using the deplying technique. Also, the impact behavior of Kevlar composites under high velocity impact of full penetration of the composite specimen was studied. The energy absorption mechanisms under high velocity impact were modelled and the absorbed energy was classified into global deformation energy, shear-out energy, deformation energy and fiber breakage energy. The total energy obtained from the model corresponded reasonably well with the experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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