This article presented a nanoscale modified continuum model to investigate the free vibration of functionally graded (FG) porous nanobeam by using finite element method. The main novelty of this manuscript is presenting effects of four different porosity models on vibration behaviors of nonlocal nanobeam structure including size effect, that not be discussed before The proposed porosity models are, uniform porosity distribution, symmetric with mid-plane, bottom surface distribution and top surface distribution. The nano-scale effect is included in modified model by using the differential nonlocal continuum theory of Eringen that adding the length scale into the constitutive equations as a material parameter constant. The graded material is distributed through the beam thickness by a generalized power law function. The beam is simply supported, and it is assumed to be thin. Therefore, the kinematic assumptions of Euler-Bernoulli beam theory are held. The mathematical model is solved numerically using the finite element method. Results demonstrate effects of porosity type, material gradation, and nanoscale parameters on the free vibration of nanobeam. The proposed model is effective in vibration analysis of NEMS structure manufactured by porous functionally graded materials.
Arshid, Ehsan;Khorshidvand, Ahmad Reza;Khorsandijou, S. Mahdi
Structural Engineering and Mechanics
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제70권1호
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pp.97-112
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2019
Using the classical, first order and third order shear deformation plates theories the motion equations of an undrained porous FG circular plate which is located on visco-Pasternak elastic foundation have been derived and used for free vibration analysis thereof. Strains are related to displacements by Sanders relationship. Fluid has saturated the pores whose distribution varies through the thickness according to three physically probable given functions. The equations are discretized and numerically solved by the generalized differential quadrature method. The effect of porosity, pores distribution, fluid compressibility, viscoelastic foundation and aspect ratio of the plate on its vibration has been considered.
Rabab, Shanab;Salwa, Mohamed;Mohammed Y., Tharwan;Amr E., Assie;Mohamed A., Eltaher
Steel and Composite Structures
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제45권5호
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pp.729-747
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2022
The critical buckling loads and buckling modes of bi-directional functionally graded porous unified higher order shear plate with elastic foundation are investigated. A mathematical model based on neutral axis rather than midplane is developed in comprehensive way for the first time in this article. The material constituents form ceramic and metal are graded through thickness and axial direction by the power function distribution. The voids and cavities inside the material are proposed by three different porosity models through the thickness of plate. The constitutive parameters and force resultants are evaluated relative to the neutral axis. Unified higher order shear plate theories are used to satisfy the zero-shear strain/stress at the top and bottom surfaces. The governing equilibrium equations of bi-directional functionally graded porous unified plate (BDFGPUP) are derived by Hamilton's principle. The equilibrium equations in the form of coupled variable coefficients partial differential equations is solved by using numerical differential integral quadrature method (DIQM). The validation of the present model is presented and compared with previous works for bucking. Deviation in buckling loads for both mid-plane and neutral plane are developed and discussed. The numerical results prove that the shear functions, distribution indices, boundary conditions, elastic foundation and porosity type have significant influence on buckling stability of BDFGPUP. The current mathematical model may be used in design and analysis of BDFGPU used in nuclear, mechanical, aerospace, and naval application.
Elastic bending of imperfect functionally graded sandwich plates (FGSPs) laying on the Winkler-Pasternak foundation and subjected to sinusoidal loads is analyzed. The analyses have been established using the quasi-3D sinusoidal shear deformation model. In this theory, the number of unknowns is condensed to only five unknowns using integral-undefined terms without requiring any correction shear factor. Moreover, the current constituent material properties of the middle layer is considered homogeneous and isotropic. But those of the top and bottom face sheets of the graded porous sandwich plate (FGSP) are supposed to vary regularly and continuously in the direction of thickness according to the trigonometric volume fraction's model. The corresponding equilibrium equations of FGSPs with simply supported edges are derived via the static version of the Hamilton's principle. The differential equations of the system are resolved via Navier's method for various schemes of FGSPs. The current study examine the impact of the material index, porosity, side-to-thickness ratio, aspect ratio, and the Winkler-Pasternak foundation on the displacements, axial and shear stresses of the sandwich structure.
By using the first order shear deformation plate theory (FSDT) in the present paper, the effect of porosity on the buckling behavior of carbon nanotube-reinforced composite porous plates has been investigated analytically. Two types of distributions of uniaxially aligned reinforcement material are utilized which uniformly (UD-CNT) and functionally graded (FG-CNT) of plates. The analytical equations of the model are derived and the exact solutions for critical buckling load of such type's plates are obtained. The convergence of the method is demonstrated and the present solutions are numerically validated by comparison with some available solutions in the literature. The central thesis studied and discussed in this paper is the Influence of Various parameters on the buckling of carbon nanotube-reinforced porous plate such as aspect ratios, volume fraction, types of reinforcement, the degree of porosity and plate thickness. On the question of porosity, this study found that there is a great influence of their variation on the critical buckling load. It is revealed that the critical buckling load decreases as increasing coefficients of porosity.
Salari, Erfan;Ashoori, Alireza;Vanini, Seyed Ali Sadough
Advances in nano research
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제7권1호
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pp.25-38
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2019
This research is aimed at studying the asymmetric thermal buckling of porous functionally graded (FG) annular nanoplates resting on an elastic substrate which are made of two different sets of porous distribution, based on nonlocal elasticity theory. Porosity-dependent properties of inhomogeneous nanoplates are supposed to vary through the thickness direction and are defined via a modified power law function in which the porosities with even and uneven type are approximated. In this model, three types of thermal loading, i.e., uniform temperature rise, linear temperature distribution and heat conduction across the thickness direction are considered. Based on Hamilton's principle and the adjacent equilibrium criterion, the stability equations of nanoporous annular plates on elastic substrate are obtained. Afterwards, an analytical solution procedure is established to achieve the critical buckling temperatures of annular nanoplates with porosities under different loading conditions. Detailed numerical studies are performed to demonstrate the influences of the porosity volume fraction, various thermal loading, material gradation, nonlocal parameter for higher modes, elastic substrate coefficients and geometrical dimensions on the critical buckling temperatures of a nanoporous annular plate. Also, it is discussed that because of present of thermal moment at the boundary conditions, porous nanoplate with simply supported boundary condition doesn't buckle.
Khaled, Alhaifi;Ahmad Reza, Khorshidvand;Murtadha M., Al-Masoudy;Ehsan, Arshid;Seyed Hossein, Madani
Structural Engineering and Mechanics
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제85권3호
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pp.419-432
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2023
This paper studies the effects of porosity distributions on buckling and post-buckling behaviors of a functionally graded saturated porous (FGSP) circular plate. The plate is under the uniformly distributed radial loading and simply supported and clamped boundary conditions. Pores are saturated with compressible fluid (e.g., gases) that cannot escape from the porous solid. Elastic modulus is assumed to vary continuously through the thickness according to three different functions corresponding to three different cases of porosity distributions, including monotonous, symmetric, and asymmetric cases. Governing equations are derived utilizing the classical plate theory and Sanders nonlinear strain-displacement relations, and they are solved numerically via shooting method. Results are verified with the known results in the literature. The obtained results for the monotonous and symmetric cases with the asymmetric case presented in the literature are shown in comparative figures. Effects of the poroelastic material parameters, boundary conditions, and thickness change on the post-buckling behavior of the plate are discussed in details. The results reveal that buckling and post-buckling behaviors of the plate in the monotonous and symmetric cases differ from the asymmetric case, especially in small deflections, that asymmetric distribution of elastic moduli can be the cause.
The main objective of this research work is to investigate the free vibration behavior of annular sandwich plates resting on the Kerr foundation at thermal conditions. This sandwich configuration is composed of two FGM face sheets as coating layer and a porous GPLRC (GPL reinforced composite) core. It is supposed that the GPL nanofillers and the porosity coefficient vary continuously along the core thickness direction. To model closed-cell FG porous material reinforced with GPLs, Halpin-Tsai micromechanical modeling in conjunction with Gaussian-Random field scheme is used, while the Poisson's ratio and density are computed by the rule of mixtures. Besides, the material properties of two FGM face sheets change continuously through the thickness according to the power-law distribution. To capture fundamental frequencies of the annular sandwich plate resting on the Kerr foundation in a thermal environment, the analysis procedure is with the aid of Reddy's shear-deformation plate theory based high-order shear deformation plate theory (HSDT) to derive and solve the equations of motion and boundary conditions. The governing equations together with related boundary conditions are discretized using the generalized differential quadrature (GDQ) method in the spatial domain. Numerical results are compared with those published in the literature to examine the accuracy and validity of the present approach. A parametric solution for temperature variation across the thickness of the sandwich plate is employed taking into account the thermal conductivity, the inhomogeneity parameter, and the sandwich schemes. The numerical results indicate the influence of volume fraction index, GPLs volume fraction, porosity coefficient, three independent coefficients of Kerr elastic foundation, and temperature difference on the free vibration behavior of annular sandwich plate. This study provides essential information to engineers seeking innovative ways to promote composite structures in a practical way.
Hadji, Lazreg;Fallah, Ali;Aghdam, Mohammad Mohammadi
Structural Engineering and Mechanics
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제82권2호
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pp.151-161
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2022
In this study, the effect of porosity distribution pattern on the free vibration analysis of porous FG plates with various boundary conditions is studied. The material properties of the plate and the porosities within the plate are considered to vary continuously through the thickness direction according to the volume fraction of constituents defined by the modified rule of the mixture, this includes porosity volume fraction with four different types of porosity distribution over the cross-section. The governing partial differential equation of motion for the free vibration analysis is obtained using hyperbolic shear deformation theory. An analytical solution is presented for the governing PDEs for various boundary conditions. Results of the presented solution are compared and validated by the available results in the literature. Moreover, the effects of material and porosity distribution and geometrical parameters on vibrational properties are investigated.
The present research study emphasizes the utilization of mathematical simulation on a nanoelectromechanical systems (NEMS) sensor to facilitate the detection of injuries in players and equipment. Specifically, an investigation is conducted on the thermal buckling behavior of a small-scale truncated conical, cylindrical beam, which is fabricated using porous functionally graded (FG) material. The beam exhibits non-uniform characteristics in terms of porosity, thickness, and material distribution along both radial and axial directions. To assess the thermal buckling performance under various environmental heat conditions, classical and first-order nonlocal beam theories are employed. The governing equations for thermal stability are derived through the application of the energy technique and subsequently numerically solved using the extended differential quadratic technique (GDQM). The obtained results are comprehensively analyzed, taking into account the diverse range of effective parameters employed in this meticulous study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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