A weak-form formulation of finite annular prism methods (FAPM) based on Reissner's mixed variational theorem (RMVT), is developed for the quasi three-dimensional (3D) static analysis of two-directional functionally graded (FG) circular plates with various boundary conditions and under mechanical loads. The material properties of the circular plate are assumed to obey either a two-directional power-law distribution of the volume fractions of the constituents through the radial-thickness surface or an exponential function distribution varying doubly exponentially through it. These FAPM solutions of the loaded FG circular plates with both simply-supported and clamped edges are in excellent agreement with the solutions obtained using the 3D analytical approach and two-dimensional advanced plate theories available in the literature.
Zaoui, Fatima Zohra;Tounsi, Abdelouahed;Ouinas, Djamel;Olay, Jaime A. Vina
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.1
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pp.105-119
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2020
In this work, a novel higher-order shear deformation theory (HSDT) for static and free vibration analysis of functionally graded (FG) plates is proposed. Unlike the conventional HSDTs, the proposed theory has a novel displacement field which includes undetermined integral terms and contains fewer unknowns. Equations of motion are obtained by using Hamilton's principle. Analytical solutions for the bending and dynamic investigation are determined for simply supported FG plates. The computed results are compared with 3D and quasi-3D solutions and those provided by other plate theories. Numerical results demonstrate that the proposed HSDT can achieve the same accuracy of the conventional HSDTs which have more number of variables.
In this paper, hyperbolic shear deformation plate theory is developed for thermal buckling of functionally graded plates with porosity by dividing transverse displacement into bending and shear parts. The present theory is variationally consistent, and accounts for a quadratic variation of the transverse shearstrains across the thickness and satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factors. Three different patterns of porosity distributions (including even and uneven distribution patterns, and the logarithmic-uneven pattern) are considered. The logarithmic-uneven porosities for first time is mentioned. Equilibrium and stability equations are derived based on the present theory. The non-linear governing equations are solved for plates subjected to simply supported boundary conditions. The thermal loads are assumed to be uniform, linear and non-linear distribution through-the-thickness. A comprehensive parametric study is carried out to assess the effects of volume fraction index, porosity fraction index, aspect ratio and side-to-thickness ratio on the buckling temperature difference of imperfect FG plates.
In this paper, thermal-buckling behavior of the functionally graded (FG) nanocomposite plates reinforced with graphene oxide powder (GOP) is studied under three types of thermal loading once the plate is supposed to be rested on a two-parameter elastic foundation. The effective material properties of the nanocomposite plate are considered to be graded continuously through the thickness according to the Halpin-Tsai micromechanical scheme. Four types of GOPs' distribution namely uniform (U), X, V and O, are considered in a comparative way in order to find out the most efficient model of GOPs' distribution for the purpose of improving the stability limit of the structure. The governing equations of the plate have been derived based on a refined higher-order shear deformation plate theory incorporated with Hamilton's principle and solved analytically via Navier's solution for a simply supported GOP reinforced (GOPR) nanocomposite plate. Some new results are obtained by applying different thermal loadings to the plate according to the GOPs' negative coefficient of thermal expansion and considering both Winkler-type and Pasternak-type foundation models. Besides, detailed parametric studies have been carried out to reveal the influences of the different types of thermal loading, weight fraction of GOP, aspect and length-to-thickness ratios, distribution type, elastic foundation constants and so on, on the critical buckling load of nanocomposite plates. Moreover, the effects of thermal loadings with various types of temperature rise are investigated comparatively according to the graphical results. It is explicitly shown that the buckling behavior of an FG nanocomposite plate is significantly influenced by these effects.
In this study, it is investigated the thermal post-buckling characteristics of step-formed FG panel under the heat and supersonic flow. Material properties are assumed to be temperature dependent as well as continuously varying in the thickness direction of the panel according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of the constituent. First-order shear deformation theory(FSDT) of plate is applied to model the panel, and the von Karman strain-displacement relations are adopted to consider the geometric nonlinearity due to large deformation. Also, the first-order piston theory is used to model the supersonic aerodynamic load acting on a panel. Numerical results are summarized to reveal the thermal post-buckling behaviors of FG panels with various volume fractions, temperature conditions and aerodynamic pressures in detail.
This paper presents the combination resonances of FG porous (FGP) cylindrical shell under two-term excitation. The effect of structural damping on the system response is also considered. With regard to classical plate theory of shells, von-$K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ equation and Hook law, the relations of stress-strain is derived for shell. According to the Galerkin method, the discretized motion equation is obtained. The combination resonances are obtained by using the method of multiple scales. Four types of FGP distributions consist of uniform porosity, non-symmetric porosity soft, non-symmetric porosity stiff and symmetric porosity distribution are considered. The influence of various porosity distributions, porosity coefficients of cylindrical shell and amplitude excitations on the combination resonances for FGP cylindrical shells is investigated.
Functionally graded material (FGM) has been spotlighted as an advanced composite material due to its excellent thermo-mechanical performance. And the buckling of FGM resting on elastic foundations has been a challenging subject because its behavior is directly connected to the structural safety. In this context, this paper is concerned with a numerical buckling analysis of metal-ceramic FG plates resting on a two-parameter (Pasternak-type) elastic foundation. The buckling problem is formulated based on the neutral surface and the (1,1,0) hierarchical model, and it is numerically approximated by 2-D natural element method (NEM) which provides a high accuracy even for coarse grid. The derived eigenvalue equations are solved by employing Lanczos and Jacobi algorithms. The numerical results are compared with the reference solutions through the benchmark test, from which the reliability of present numerical method has been verified. Using the developed numerical method, the critical buckling loads of metal-ceramic FG plates are parametrically investigated with respect to the major design parameters.
Functionally graded materials (FGMs) have been spotlighted as an advanced composite material, accordingly the intensive studies have focused on FGMs to examine their mechanical behaviors. Among them is thermal buckling which has been a challenging subject, because its behavior is connected directly to the safety of structural system. In this context, this paper presents the numerical analysis of thermal buckling of metal-ceramic functionally graded (FG) plates. For an accurate and effective buckling analysis, a new numerical method is developed by making use of (1,1,0) hierarchical model and 2-D natural element method (NEM). Based on 3-D elasticity theory, the displacement field is expressed by a product of 1-D assumed thickness monomials and 2-D in-plane functions which are approximated by NEM. The numerical method is compared with the reference solutions through the benchmark test, from which its numerical accuracy has been verified. Using the developed numerical method, the critical buckling temperatures of metal-ceramic FG plates are parametrically investigated with respect to the major design parameters.
Laid Lekouara;Belgacem Mamen;Abdelhakim Bouhadra;Abderahmane Menasria;Kouider Halim Benrahou;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.4
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pp.443-459
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2023
This study investigates the theoretical thermal buckling analyses of thick porous rectangular functionally graded (FG) plates with different geometrical boundary conditions resting on a Winkler-Pasternak elastic foundation using a new higher-order shear deformation theory (HSDT). This new theory has only four unknowns and involves indeterminate integral variables in which no shear correction factor is required. The variation of material properties across the plate's thickness is considered continuous and varied following a simple power law as a function of volume fractions of the constituents. The effect of porosity with two different types of distribution is also included. The current formulation considers the Von Karman nonlinearity, and the stability equations are developed using the virtual works principle. The thermal gradients are involved and assumed to change across the FG plate's thickness according to nonlinear, linear, and uniform distributions. The accuracy of the newly proposed theory has been validated by comparing the present results with the results obtained from the previously published theories. The effects of porosity, boundary conditions, foundation parameters, power index, plate aspect ratio, and side-to-thickness ratio on the critical buckling temperature are studied and discussed in detail.
Samira Hassiba Tagrara;Mohamed Mehdi hamri;Mahmoud Mohamed Selim Saleh;Mofareh Hassan Ghazwani;Abdelbaki Chikh;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdelhakim Kaci;Fouad Bourada;Abdelouahed Tounsi
Steel and Composite Structures
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v.46
no.6
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pp.839-856
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2023
This work presents a simple four-unknown refined integral plate theory for mechanical and thermal buckling behaviors of functionally graded (FG) plates resting on Visco-Pasternak foundations. The proposed refined high order shear deformation theory has a new displacement field which includes indeterminate integral variables and contains only four unknowns in which any shear correction factor not used, with even less than the conventional theory of first shear strain (FSDT). Governing equations are deduced from the principle of minimum total potential energy and a Navier type analytical solution is adopted for simply supported FG plates. The Visco-Pasternak foundations is considered by adding the impact of damping to the usual foundation model which characterized by the linear Winkler's modulus and Pasternak's foundation modulus. The accuracy of the present model is demonstrated by comparing the computed results with those available in the literature. Some numerical results are presented to show the impact of material index, elastic foundation type, and damping coefficient of the foundation, on the mechanical and thermal buckling behaviors of FG plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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