This research studies the primary resonance and nonlinear vibratory responses of multilayer functionally graded shallow (MFGS) shells under external excitations. The shells considered with functionally graded porous (FGP) core and resting on two types of nonlinear viscoelastic foundations (NVEF) governed by either a linear model with two parameters of Winkler and Pasternak foundations or a nonlinear model of hardening/softening cubic stiffness augmented by a Kelvin-Voigt viscoelastic model. The shells considered have three layers, sandwiched by functionally graded (FG), FGP, and FG materials. To investigate the influence of various porosity distributions, two types of FGP middle layer cores are considered. With the first-order shear deformation theory (FSDT), Hooke's law, and von-Kármán equation, the stress-strain relations for the MFGS shells with FGP core are developed. The governing equations of the shells are consequently derived. For the sake of higher accuracy and reliability, the P-T method is implemented in numerically analyzing the vibration, and the method of multiple scales (MMS) as one of the perturbation methods is used to investigate the primary resonance. The results of the present research are verified with the results available in the literature. The analytical results are compared with the P-T method. The influences of material, geometry, and nonlinear viscoelastic foundation parameters on the responses of the shells are illustrated.
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.
This paper deals with the static and dynamic behavior of Functionally Graded Carbon Nanotubes (FG-CNT)-reinforced porous sandwich (PMPV) polymer plate. The model of nanocomposite plate is investigated within the first order shear deformation theory (FSDT). Two types of porous sandwich plates are supposed (sandwich with face sheets reinforced / homogeneous core and sandwich with homogeneous face sheets / reinforced core). Functionally graded Carbon Nanotubes (FG-CNT) and uniformly Carbon Nanotubes (UD-CNT) distributions of face sheets or core porous plates with uniaxially aligned single-walled carbon nanotubes are considered. The governing equations are derived by using Hamilton's principle. The solution for bending and vibration of such type's porous plates are obtained. The detailed mathematical derivations are provided and the solutions are compared to some cases in the literature. The effect of the several parameters of reinforced sandwich porous plates such as aspect ratios, volume fraction, types of reinforcement, number of modes and thickness of plate on the bending and vibration analyses are studied and discussed. On the question of porosity, this study found that there is a great influence of their variation on the static and vibration of porous sandwich plate.
In this study, the nonlinear vibration analysis of the composite nanoplate is studied. The composite nanoplate is fabricated by the functional graded (FG) core and lipid face sheets. The material properties in the FG core vary in three directions. The Kelvin-Voigt model is used to study the viscoelastic effect of the lipid layers. By using the Von-Karman assumptions, the nonlinear differential equation of the vibration analysis of the composite nanoplate is obtained. The foundation of the system is modeled by the nonlinear Pasternak foundation. The Bubnov-Galerkin method and the multiple scale method are used to solve the nonlinear differential equation of the composite nanoplate. The free and force vibration analysis of the composite nanoplate are studied. A comparison between the presented results and the reported results is done and good achievement is obtained. The reported results are verified by the results which are obtained by the Runge-Kutta method. The effects of different parameters on the nonlinear vibration frequencies, the primary, the super harmonic and subharmonic resonance cases are investigated. This work will be useful to design the nanosensors with high biocompatibility.
This article deals with the frequency analysis of viscoelastic sandwich disk with graphene nano-platelets (GPLs) reinforced viscoelastic concrete (GPLRVC) face sheets and honeycomb core. The honeycomb core is made of aluminum due to its low weight and high stiffness. The rule of the mixture and modified Halpin-Tsai model are engaged to provide the effective material constant of the concrete. By employing Hamilton's principle, the governing equations of the structure are derived and solved with the aid of the Generalize Differential Quadrature Method (GDQM). In this paper, viscoelastic properties are modeled according to Kelvin-Voigt viscoelasticity. The deflection as the function of time can be solved by the fourth-order Runge-Kutta numerical method. Afterward, a parametric study is carried out to investigate the effects of the outer to inner radius ratio, hexagonal core angle, thickness to length ratio of the concrete, the weight fraction of GPLs into concrete, and the thickness of honeycomb core to inner radius ratio on the frequency of the viscoelastic sandwich disk with honeycomb core and FG-GPLRVC face sheet.
Thermo-mechanical buckling of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) within the framework of Timoshenko beam theory is presented. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. Also the properties of these materials should be considered temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and solved using an efficient technique called the Differential Transform Method (DTM) to achieve the critical buckling of the sandwich beam in uniform thermal environment. A detailed parametric study is guided to investigate the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and clamped-clamped, simply-simply and clamped-simply end supports on the critical buckling behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. Numerical results for comparison of sandwich beams with uniformly distributed carbon nanotube-reinforced composite (UD-CNTRC) face sheets with those with FG-CNTRC face sheets are also presented.
In this paper Timoshenko beam theory is employed to investigate the vibration characteristics of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) Beams with a stiff core in thermal environment. The material characteristic of carbon nanotubes (CNT) are supposed to change in the thickness direction in a functionally graded form. They can also be calculated through a micromechanical model where the CNT efficiency parameter is determined by matching the elastic modulus of CNTRCs calculated from the rule of mixture with those gained from the molecular dynamics simulations. The differential transform method (DTM) which is established upon the Taylor series expansion is one of the effective mathematical techniques employed to the differential governing equations of sandwich beams. Effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, different thermal environment and various boundary conditions on the free vibration characteristics of FG-CNTRC sandwich beams are studied. It is observed that vibration response of FG-CNTRC sandwich beams is prominently influenced by these parameters.
Amir, Saeed;Arshid, Ehsan;Arani, Mohammad Reza Ghorbanpour
Smart Structures and Systems
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제23권5호
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pp.429-447
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2019
The present study analyzed free vibration of the three-layered micro annular/circular plate which its core and face sheets are made of saturated porous materials and FG-CNTRCs, respectively. The structure is subjected to magneto-electric fields and magneto-electro-mechanical pre loads. Mechanical properties of the porous core and also FG-CNTRC face sheets are varied through the thickness direction. Using dynamic Hamilton's principle, the motion equations based on MCS and FSD theories are derived and solved via GDQ as an efficient numerical method. Effect of different parameters such as pores distributions, porosity coefficient, pores compressibility, CNTs distribution, elastic foundation, multi-physical pre loads, small scale parameter and aspect ratio of the plate are investigated. The findings of this study can be useful for designing smart structures such as sensor and actuator.
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.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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