Melaibari, Ammar;Khoshaim, Ahmed B.;Mohamed, Salwa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.35
no.5
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pp.671-685
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2020
This manuscript presents impacts of gradation of material functions and axial load functions on critical buckling loads and mode shapes of functionally graded (FG) thin and thick beams by using higher order shear deformation theory, for the first time. Volume fractions of metal and ceramic materials are assumed to be distributed through a beam thickness by both sigmoid law and symmetric power functions. Ceramic-metal-ceramic (CMC) and metal-ceramic-metal (MCM) symmetric distributions are proposed relative to mid-plane of the beam structure. The axial compressive load is depicted by constant, linear, and parabolic continuous functions through the axial direction. The equilibrium governing equations are derived by using Hamilton's principles. Numerical differential quadrature method (DQM) is developed to discretize the spatial domain and covert the governing variable coefficients differential equations and boundary conditions to system of algebraic equations. Algebraic equations are formed as a generalized matrix eigenvalue problem, that will be solved to get eigenvalues (buckling loads) and eigenvectors (mode shapes). The proposed model is verified with respectable published work. Numerical results depict influences of gradation function, gradation parameter, axial load function, slenderness ratio and boundary conditions on critical buckling loads and mode-shapes of FG beam structure. It is found that gradation types have different effects on the critical buckling. The proposed model can be effective in analysis and design of structure beam element subject to distributed axial compressive load, such as, spacecraft, nuclear structure, and naval structure.
Hosseini, S.A.H.;Moghaddam, M.H. Noroozi;Rahmani, O.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.7
no.6
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pp.517-536
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2020
The present study investigates axial vibration of a FG nanobeam using nonlocal elasticity theory under clamped-clamped and clamped-free boundary conditions. Power law, exponential law and sigmoid law are applied as grading laws to examine the effect of the material distribution on axial vibration of the FG nanobeam. A parametric study was done to examine the effect of length scale on the dynamic behavior of the structure and the results are presented. It was observed that consideration of the nonlocal length scale is essential when analyzing the free vibration of a FG nanobeam. The results of the present study can be used as benchmarks in future studies of FG nanostructures.
In this research paper, and for the first time, wave propagations in sigmoidal imperfect functionally graded material plates are investigated using a simplified quasi-three-dimensionally higher shear deformation theory (Quasi-3D HSDTs). By employing an indeterminate integral for the transverse displacement in the shear components, the number of unknowns and governing equations in the current theory is reduced, thereby simplifying its application. Consequently, the present theories exhibit five fewer unknown variables compared to other Quasi-3D theories documented in the literature, eliminating the need for any correction coefficients as seen in the first shear deformation theory. The material properties of the functionally graded plates smoothly vary across the cross-section according to a sigmoid power law. The plates are considered imperfect, indicating a pore distribution throughout their thickness. The distribution of porosities is categorized into two types: even or uneven, with linear (L)-Type, exponential (E)-Type, logarithmic (Log)-Type, and Sinus (S)-Type distributions. The current quasi-3D shear deformation theories are applied to formulate governing equations for determining wave frequencies, and phase velocities are derived using Hamilton's principle. Dispersion relations are assumed as an analytical solution, and they are applied to obtain wave frequencies and phase velocities. A comprehensive parametric study is conducted to elucidate the influences of wavenumber, volume fraction, thickness ratio, and types of porosity distributions on wave propagation and phase velocities of the S-FGM plate. The findings of this investigation hold potential utility for studying and designing techniques for ultrasonic inspection and structural health monitoring.
In this paper, buckling and free vibration of imperfect, functionally graded beams, including porosities, are investigated, using a higher order shear strain theory. Due to defects during the manufacturing process, micro porosities may appear in the material, hence the appearance of this imperfection in the structure. The material properties of the beams are assumed to vary regularly, with power and sigmoid law, in the direction of thickness. A novel porosity distribution affecting the functionally graded volume fraction is presented. For the compact formulation used for cementite-based materials and already used in P-FGM, we have adapted it for the distribution of S-FGM. The equations of motion in the FG beam are derived using Hamilton's principle. The boundary conditions for beam FG are assumed to be simply supported. Navier's solution is used to obtain the closed form solutions of the FG beam. The numerical results of this work are compared with those of other published research to verify accuracy and reliability. The comparisons of different shear shape functions, the influence of porosity, thickness and inhomogeneity parameters on buckling and free vibration of the FG beam are all discussed. It is established that the present work is more precise than certain theories developed previously.
The hygro-thermo-mechanical bending behavior of sigmoid functionally graded material (S-FGM) plate resting on variable two-parameter elastic foundations is discussed using a four-variable refined plate theory. The material characteristics are distributed within the thickness direction according to the two power law variation in terms of volume fractions of the constituents of the material. By employing a four variable refined plate model, both a trigonometric distribution of the transverse shear strains within the thickness and the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate are respected without utilizing shear correction factors. The number of independent variables of the current formulation is four, as against five in other shear deformation models. The governing equations are deduced based on the four-variable refined plate theory incorporating the external load and hygro-thermal influences. The results of this work are compared with those of other shear deformation models. Various numerical examples introducing the influence of power-law index, plate aspect ratio, temperature difference, elastic foundation parameters, and side-to-thickness ratio on the static behavior of S-FGM plates are investigated.
Chikh, Abdelbaki;Bakora, Ahmed;Heireche, Houari;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Bedia, E.A. Adda
Structural Engineering and Mechanics
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v.57
no.4
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pp.617-639
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2016
In this work, an analytical formulation based on both hyperbolic shear deformation theory and stress function, is presented to study the nonlinear post-buckling response of symmetric functionally graded plates supported by elastic foundations and subjected to in-plane compressive, thermal and thermo-mechanical loads. Elastic properties of material are based on sigmoid power law and varying across the thickness of the plate (S-FGM). In the present formulation, Von Karman nonlinearity and initial geometrical imperfection of plate are also taken into account. By utilizing Galerkin procedure, closed-form expressions of buckling loads and post-buckling equilibrium paths for simply supported plates are obtained. The effects of different parameters such as material and geometrical characteristics, temperature, boundary conditions, foundation stiffness and imperfection on the mechanical and thermal buckling and post-buckling loading capacity of the S-FGM plates are investigated.
Park, Weon-Tae;Han, Sung-Cheon;Jung, Woo-Young;Lee, Won-Hong
Steel and Composite Structures
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v.22
no.6
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pp.1239-1259
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2016
The modified couple stress-based third-order shear deformation theory is presented for sigmoid functionally graded materials (S-FGM) plates. The advantage of the modified couple stress theory is the involvement of only one material length scale parameter which causes to create symmetric couple stress tensor and to use it more easily. Analytical solution for dynamic instability analysis of S-FGM plates on elastic medium is investigated. The present models contain two-constituent material variation through the plate thickness. The equations of motion are derived from Hamilton's energy principle. The governing equations are then written in the form of Mathieu-Hill equations and then Bolotin's method is employed to determine the instability regions. The boundaries of the instability regions are represented in the dynamic load and excitation frequency plane. It is assumed that the elastic medium is modeled as Pasternak elastic medium. The effects of static and dynamic load, power law index, material length scale parameter, side-to-thickness ratio, and elastic medium parameter have been discussed. The width of the instability region for an S-FGM plate decreases with the decrease of material length scale parameter. The study is relevant to the dynamic simulation of micro structures embedded in elastic medium subjected to intense compression and tension.
In this paper, the classical and non-classical boundary conditions effect on free vibration characteristics of functionally graded (FG) size-dependent nanobeams are investigated by presenting a semi analytical differential transform method (DTM) for the first time. Three kinds of mathematical models, namely; power law (P-FGM), sigmoid (S-FGM) and Mori-Tanaka (MT-FGM) distribution are considered to describe the material properties in the thickness direction. The nonlocal Eringen theory takes into account the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanosensors and nanoactuators. Governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi analytical differential transform method. The good agreement between the results of this article and those available in literature validated the presented approach. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as small scale effects, spring constant factors, various material compositions and mode number on the normalized natural frequencies of the FG nanobeams in detail. It is explicitly shown that the vibration of FG nanobeams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FG nanobeams.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.6
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pp.529-538
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2016
The simplified plate theory is presented for static and free vibration analysis of power-law(P) and sigmoid(S) Functionally Graded Materials(FGM) plates. This theory considers the parabolic distribution of the transverse shear stress, and satisfies the condition that requires the transverse shear stress to be zero on the upper and lower surfaces of the plate, without the shear correction factor. The simplified plate theory uses only four unknown variables and shares strong similarities with classical plate theory(CPT) in many aspects such as stress-resultant expressions, equation of motion and boundary conditions. The material properties of the plate are assumed to vary according to the power-law and sigmoid distributions of the volume fractions of the constituents. The Hamilton's principle is used to derive the equations of motion and Winkler-Pasternak elastic foundation model is employed. The results of static and dynamic responses for a simply supported FGM plate are calculated and a comparative analysis is carried out. The results of the comparative analysis with the solutions of references show relevant and accurate results for static and free vibration problems of FGM plates. Analytical solutions for the static and free vibration problems are presented so as to reveal the effects of the power law index, elastic foundation parameter, and side-to-thickness ratio.
In this paper, buckling analysis of hybrid functionally graded plates using a novel four variable refined plate theory is presented. In this theory the distribution of transverse shear deformation is parabolic across the thickness of the plate by satisfying the surface conditions. Therefore, it is unnecessary to use a shear correction factor. The variations of properties of the plate through the thickness are according to a symmetric sigmoid law (symmetric S-FGM). The principle virtual works is used herein to extract equilibrium equations. The analytical solution is determined using the Navier method for a simply supported rectangular plate subjected to axial forces. The precision of this theory is verified by comparing it with the various solutions available in the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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