In the present study, buckling and free vibration analyses of annular thin sector plate made of functionally graded materials (FGMs) resting on visco-elastic Pasternak foundation, subjected to external radial, circumferential and shear in-plane loads is investigated. Material properties are assumed to vary along the thickness according to an power law with Poisson's ratio held constant. First, based on the classical plate theory (CPT), the governing equation of motion is derived using Hamilton's principle and then is solved using the generalized differential quadrature method (GDQM). Numerical results are compared to those available in the literature to validate the convergence and accuracy of the present approach. Finally, the effects of power-law exponent, ratio of radii, thickness of the plate, sector angle, and coefficients of foundation on the fundamental and higher natural frequencies of transverse vibration and critical buckling loads are considered for various boundary conditions. Also, vibration and buckling mode shapes of functionally graded (FG) sector plate have been shown in this research. One of the important obtained results from this work show that ratio of the frequency of FG annular sector plate to the corresponding values of homogeneous plate are independent from boundary conditions and frequency number.
This paper presents an efficient higher-order nonlocal beam theory for the Critical buckling, of functionally graded (FG) nanobeams with porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FG) during their fabrication, the nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen. The material properties of (FG) nanobeams with porosities are assumed to vary through the thickness according to a power law. The governing equations of the functionally graded nanobeams with porosities are derived by employing Hamilton's principle. Analytical solutions are presented for a simply supported FG nanobeam with porosities. The validity of this theory is studied by comparing some of the present results with other higher-order theories reported in the literature, Illustrative examples are given also to show the effects of porosity volume fraction, and thickness to length ratios on the critical buckling of the FG beams.
In this paper, an improved mathematical model is presented for the bending analysis of doubly curved functionally graded material (FGM) sandwich rhombic conoids. The mathematical model includes expansion of Taylor's series up to the third degree in thickness coordinate and normal curvatures in in-plane displacement fields. The condition of zero-transverse shear strain at upper and lower surface of rhombic conoids is implemented in the present model. The newly introduced feature in the present mathematical model is the simultaneous inclusion of normal curvatures in deformation field and twist curvature in strain-displacement equations. This unique introduction permits the new 2D mathematical model to solve problems of moderately thick and deep doubly curved FGM sandwich rhombic conoids. The distinguishing feature of present shell from the other shells is that maximum transverse deflection does not occur at its center. The proposed new mathematical model is implemented in finite element code written in FORTRAN. The obtained numerical results are compared with the results available in the literature. Once validated, the current model was employed to solve numerous bending problems by varying different parameters like volume fraction indices, skew angles, boundary conditions, thickness scheme, and several geometric parameters.
Hashemi, Razieh;Mirzaei, Mostafa;Adlparvar, Mohammad R.
Advances in nano research
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v.10
no.1
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pp.43-57
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2021
In this study, thermally induced bifurcation buckling of shallow composite cylindrical panels reinforced with aligned single-walled carbon nanotubes is investigated. Distribution of carbon nanotubes across the thickness of the cylindrical panel as reinforcements may be either uniform or functionally graded. Thermo-mechanical properties of the matrix and reinforcements are considered to be temperature dependent. Properties of the cylindrical panel are obtained using a refined micromechanical approach which introduces the auxiliary parameters into the rule of mixtures. The governing equations are obtained by using the static version of the Hamilton principle based on the first-order shear deformation theory and considering the linear strain-displacement relation. An energy-based Ritz method and an iterative process are used to obtain the critical buckling temperature of composite cylindrical panel with temperature dependent material properties. In addition, the effect of various parameters such as the boundary conditions, different geometrical conditions, distribution pattern of CNTs across the thickness and their volume fraction are studied on the critical buckling temperature and buckled pattern of cylindrical panels. It is shown that FG-X type of CNT dispersion is the most influential type in thermal stability.
This study investigates the wave propagation in porous functionally graded (FG) sandwich plates subjected to hygrothermal environments. A new simple three-unknown first-ordershear deformation theory (FSDT) incorporating an integral term is utilized in this paper. Only three unknowns are used to formulate the governing differential equation by applying the Hamilton principle. The FG layer of the sandwich plate is modeled using the power-law function with evenly distributed porosities to represent the defects of the manufacturing process. The plate is subjected to nonlinear hygrothermal changes across the thickness. The effects of the power-law exponent, core to thickness ratios, porosity volume, and the relations between volume fraction and wave properties of porous FG plate under the hygrothermal environment are investigated. The results showed that the waves' phase velocities increase linearly with the waves number in the FGM plate. The porosity of the FG materials plate has a noticeable impact on the phase velocity when considering the high ratios of the core layer. It has a negligible effect on small core layers. Finally, it is observed that changing temperatures and moistures do not influence the relationship between the power law and the phase velocity.
The major objective of this paper is to study the receding contact problem between two functional graded layers under a flat indenter. The gravity is assumed negligible, and the shear moduli of both layers are assumed to vary exponentially along the thickness direction. In the absence of body forces, the problem is reduced to a system of Fredholm singular integral equations with the contact pressure and contact size as unknowns via Fourier integral transform, which is transformed into an algebraic one by the Gauss-Chebyshev quadratures and polynomials of both the first and second kinds. Then, an iterative speediest descending algorithm is proposed to numerically solve the system of algebraic equations. Both semi-analytical and finite element method, FEM solutions for the presented problem validate each other. To improve the accuracy of the numerical result of FEM, a graded FEM solution is performed to simulate the FGM mechanical characteristics. The results reveal the potential links between the contact stress/size and the indenter size, the thickness, as well as some other material properties of FGM.
In this paper, a nonlinear numerical method to solve the large deflection problem is introduced. And the non-dimensional load-deflection behavior of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) plates is parametrically investigated. The large deflection problem is formulated according to the von Kármán nonlinear theory and the (1,1,0)* hierarchical model, and it is approximated by 2-D natural element method (NEM). The shear locking phenomenon is suppressed by the selectively reduced integration method. The nonlinear matrix equations are solved by combining the incremental loading scheme and the Newton-Raphson iteration method. The proposed method is validated from the benchmark experiments, where the propose method shows an excellent agreement with the reference methods. The nonlinear behavior of FG-CNTRC plates is evaluated in terms of the non-dimensional load-deflection curve, and it is parametrically investigated with respect to the existence/non-existence and gradient pattern of CNTs, the width-to-thickness and aspect ratios of plates and the type of boundary conditions. The non-dimensional central deflection is significantly reduced when CNTs and added, and it decreases with the volume fraction of CNTs. But, it shows a uniform increase in proportion to the width-to-thickness and aspect ratios. Both the gradient pattern of CNTs and the type of boundary conditions do also show the remarkable effects.
This work focuses on the dynamic analysis of thermal barrier coated straight and curved turbine blades modelled as functionally graded sandwich panel under thermal environment. The pre- twisted straight/curved blade model is considered to be fixed to the hub and, the complete assembly of the hub and blade are assumed to be rotating. The functionally graded sandwich composite blade is comprised of functionally graded face-sheet material and metal alloy core. The constituents' material properties are assumed to be temperature-dependent, however, the overall properties are evaluated using Voigt's micromechanical scheme in conjunction with the modified power-law functions. The blade model kinematics is based on the equivalent single-layer shear deformation theory. The equations of motion are derived using the extended Hamilton's principle by including the effect of centrifugal forces, and further solved via 2D- isoparametric finite element approximations. The mesh refinement and validation tests are performed to illustrate the stability and accurateness of the present model. In addition, frequency characteristics of the pre-twisted rotating sandwich blades are computed under thermal environment at various sets of parametric conditions such as twist angles, thickness ratios, aspect ratios, layer thickness ratios, volume fractions, rotational velocity and blade curvatures which can be further useful for designing the blade type structures under turbine operating conditions.
Alazwari, Mashhour A.;Esen, Ismail;Abdelrahman, Alaa A.;Abdraboh, Azza M.;Eltaher, Mohamed A.
Advances in nano research
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v.12
no.3
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pp.231-251
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2022
Dynamic behavior of temperature-dependent Reddy functionally graded (RFG) nanobeam subjected to thermomagnetic effects under the action of moving point load is carried out in the present work. Both symmetric and sigmoid functionally graded material distributions throughout the beam thickness are considered. To consider the significance of strain-stress gradient field, a material length scale parameter (LSP) is introduced while the significance of nonlocal elastic stress field is considered by introducing a nonlocal parameter (NP). In the framework of the nonlocal strain gradient theory (NSGT), the dynamic equations of motion are derived through Hamilton's principle. Navier approach is employed to solve the resulting equations of motion of the functionally graded (FG) nanoscale beam. The developed model is verified and compared with the available previous results and good agreement is observed. Effects of through-thickness variation of FG material distribution, beam aspect ratio, temperature variation, and magnetic field as well as the size-dependent parameters on the dynamic behavior are investigated. Introduction of the magnetic effect creates a hardening effect; therefore, higher values of natural frequencies are obtained while smaller values of the transverse deflections are produced. The obtained results can be useful as reference solutions for future dynamic and control analysis of FG nanobeams reinforced nanocomposites under thermomagnetic effects.
Tao Hai;A. Yvaz;Mujahid Ali;Stanislav Strashnov;Mohamed Hechmi El Ouni;Mohammad Alkhedher;Arameh Eyvazian
Steel and Composite Structures
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v.48
no.2
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pp.191-206
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2023
The present research investigates how micromechanical models affect the behavior of Functionally Graded (FG) plates under different boundary conditions. The study employs diverse micromechanical models to assess the effective material properties of a two-phase particle composite featuring a volume fraction of particles that continuously varies throughout the thickness of the plate. Specifically, the research examines the vibrational response of the plate on a Winkler-Pasternak elastic foundation, considering different boundary conditions. To achieve this, the governing differential equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle, which is based on a four-variable shear deformation refined plate theory. Additionally, the Galerkin method is utilized to compute the plate's natural frequencies. The study explores how the plate's natural frequencies are influenced by various micromechanical models, such as Voigt, Reuss, Hashin-Shtrikman bounds, and Tamura, as well as factors such as boundary conditions, elastic foundation parameters, length-to-thickness ratio, and aspect ratio. The research results can provide valuable insights for future analyses of FG plates with different boundaries, utilizing different micromechanical models.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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