The present paper explores nonlinear dynamical properties of piezo-magnetic beams based on a nonlocal refined higher-order beam formulation and piezoelectric phase effect. The piezoelectric phase increment may lead to improved vibrational behaviors for the smart beams subjected to magnetic fields and external harmonic excitation. Nonlinear governing equations of a nonlocal intelligent beam have been achieved based upon the refined beam model and a numerical provided has been introduced to calculate nonlinear vibrational curves. The present study indicates that variation in the volume fraction of piezoelectric ingredient has a substantial impact on vibrational behaviors of intelligent nanobeam under electrical and magnetic fields. Also, it can be seen that nonlinear free/forced vibrational behaviors of intelligent nanobeam have dependency on the magnitudes of induced electrical voltages, magnetic potential, stiffening elastic substrate and shear deformation.
In this article, free vibration of functionally graded (FG) elliptic plates subjected to various classical boundary conditions has been investigated. Literature review reveals no study has been performed based on functionally graded elliptic plates till date. The mechanical kinematic relations are considered based on classical plate theory. Rayleigh-Ritz technique is used to obtain the generalized eigenvalue problem. The material properties of the FG plate are assumed to vary along thickness direction of the constituents according to power-law form. Trial functions denoting the displacement components are expressed in simple algebraic polynomial forms which can handle any edge support. The objective is to study the effect of geometric configurations and gradation of constituent volume fractions on the natural frequencies. New results for frequency parameters are incorporated after performing a test of convergence. A comparison study is carried out with existing literature for validation in special cases. Three-dimensional mode shapes for circular and elliptic FG plates are also presented with various boundary conditions at the edges.
In this article, hygro-thermo-mechanical vibration and buckling of exponentially graded (EG) nanoplates resting on two-parameter Pasternak foundations are studied using the four-unknown shear deformation plate theory. The material properties are presumed to change only in the thickness direction of the EG nanoplate according to two exponential laws distribution. The boundary conditions of the nanoplate may be simply supported, clamped, free or combination of them. To consider the small scale effect on forced frequencies and buckling, Eringen's differential form of nonlocal elasticity theory is employed. The accuracy of the present study is investigated considering the available solutions in literature. A detailed analysis is executed to study the influences of the plate aspect ratio, side-to-thickness ratio, temperature rise, moisture concentration and volume fraction distributions on the vibration and buckling of the nanoplates.
In this paper, free vibration, forced vibration, resonance and stress wave propagation behavior in nanocomposite plates reinforced by wavy carbon nanotube (CNT) are studied by a mesh-free method based on first order shear deformation theory (FSDT). The plates are resting on Winkler-Pasternak elastic foundation and subjected to periodic or impact loading. The distributions of CNTs are considered functionally graded (FG) or uniform along the thickness and their mechanical properties are estimated by an extended rule of mixture. In the mesh-free analysis, moving least squares (MLS) shape functions are used for approximation of displacement field in the weak form of motion equation and the transformation method is used for imposition of essential boundary conditions. Effects of CNT distribution, volume fraction, aspect ratio and waviness, and also effects of elastic foundation coefficients, plate thickness and time depended loading are examined on the vibrational and stresses wave propagation responses of the nanocomposite plates reinforced by wavy CNT.
This paper presents a theoretical investigation in free vibration of sigmoid functionally graded beams with variable cross-section by using Bernoulli-Euler beam theory. The mechanical properties are assumed to vary continuously through the thickness of the beam, and obey a two power law of the volume fraction of the constituents. Governing equation is reduced to an ordinary differential equation in spatial coordinate for a family of cross-section geometries with exponentially varying width. Analytical solutions of the vibration of the S-FGM beam are obtained for three different types of boundary conditions associated with simply supported, clamped and free ends. Results show that, all other parameters remaining the same, the natural frequencies of S-FGM beams are always proportional to those of homogeneous isotropic beams. Therefore, one can predict the behaviour of S-FGM beams knowing that of similar homogeneous beams.
In this paper, free and force vibration behaviors of graphene-reinforced composite functionally graded (GRC-FG) cylindrical shells in thermal environments are investigated based on Reddy's third-order shear deformation theory (HSDT). The GRC-FG cylindrical shells are composed of piece-wise pattern graphene-reinforced layers which have different volume fraction. Based on the extended Halpin-Tsai micromechanical model, the effective material properties of the resulting nanocomposites are evaluated. Using the Hamilton's principle and the assumed mode method, the motion equation of the GRC-FG cylindrical shells is formulated. Using the time- and frequency-domain methods, free and force vibration properties of the GRC-FG cylindrical shell are analyzed. Numerical cases are provided to study the effects of distribution of graphene, shell radius-to-thickness ratio and temperature changes on the free and force vibration responses of GRC-FG cylindrical shells.
This paper deals with free vibration analysis of bidirectional functionally graded annular plates resting on a two-parameter elastic foundation. The formulations are based on the three-dimensional elasticity theory. This study presents a novel 2-D six-parameter power-law distribution for ceramic volume fraction of 2-D functionally graded materials that gives designers a powerful tool for flexible designing of structures under multi-functional requirements. Various material profiles along the thickness and in the in-plane directions are illustrated by using the 2-D power-law distribution. The effective material properties at a point are determined in terms of the local volume fractions and the material properties by the Mori-Tanaka scheme. The 2-D differential quadrature method as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. The fast rate of convergence of the method is shown and the results are compared against existing results in literature. Some new results for natural frequencies of the plates are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. The interesting results indicate that a graded ceramic volume fraction in two directions has a higher capability to reduce the natural frequency than conventional 1-D functionally graded materials.
This paper investigates the size dependent effect on the vibration analysis of a porous nanocomposite viscoelastic plate reinforced by functionally graded-single walled carbon nanotubes (FG-SWCNTs) by considering nonlocal strain gradient theory. Therefore, using energy method and Hamilton's principle, the equations of motion are derived. In this article, the effects of nonlocal parameter, aspect ratio, strain gradient parameter, volume fraction of carbon nanotubes (CNTs), damping coefficient, porosity coefficient, and temperature change on the natural frequency are perused. The innovation of this paper is to compare the effectiveness of each mentioned parameters individually on the free vibrations of this plate and to represent the appropriate value for each parameter to achieve an ideal nanocomposite plate that minimizes vibration. The results are verified with those referenced in the paper. The results illustrate that the effect of damping coefficient on the increase of natural frequency is significantly higher than the other parameters effect, and the effects of the strain gradient parameter and nonlocal parameter on the natural frequency increase are less than damping coefficient effect, respectively. Furthermore, the results indicate that the natural frequency decreases with a rise in the nonlocal parameter, aspect ratio and temperature change. Also, the natural frequency increases with a rise in the strain gradient parameter and CNTs volume fraction. This study can be used for optimizing the industrial and medical designs, such as automotive industry, aerospace engineering and water purification system, by considering ideal properties for the nanocomposite plate.
Eyvazian, Arameh;Musharavati, Farayi;Talebizadehsardari, Pouyan;Sebaey, Tamer A.
Steel and Composite Structures
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v.36
no.6
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pp.711-727
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2020
In the present research, the free vibration analysis of functionally graded (FG) nanocomposite deep spherical shells reinforced by graphene platelets (GPLs) on elastic foundation is performed. The elastic foundation is assumed to be Winkler-Past ernak-type. It is also assumed that graphaene platelets are randomly oriented and uniformly dispersed in each layer of the nanocomposite shell. Volume fraction of the graphene platelets as nanofillers may be different in the layers. The modified HalpinTsai model is used to approximate the effective mechanical properties of the multilayer nanocomposite. With the aid of the first order shear deformation shell theory and implementing Hamilton's principle, motion equations are derived. Afterwards, the generalized differential quadrature method (GDQM) is utilized to study the free vibration characteristics of FG-GPLRC spherical shell. To assess the validity and accuracy of the presented method, the results are compared with the available researches. Finally, the natural frequencies and corresponding mode shapes are provided for different boundary conditions, GPLs volume fraction, types of functionally graded, elastic foundation coefficients, opening angles of shell, and thickness-to-radius ratio.
This paper deals with free vibration analysis of continuous grading fiber reinforced (CGFR) and bi-directional FG annular sector plates on two-parameter elastic foundations under various boundary conditions, based on the three-dimensional theory of elasticity. The plates with simply supported radial edges and arbitrary boundary conditions on their circular edges are considered. A semi-analytical approach composed of differential quadrature method (DQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. Some new results for the natural frequencies of the plate are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. Results indicate that the non-dimensional natural frequency parameter of a functionally graded fiber volume fraction is larger than that of a discrete laminated and close to that of a 2-layer. It results that the CGFR plate attains natural frequency higher than those of traditional discretely laminated composite ones and this can be a benefit when higher stiffness of the plate is the goal and that is due to the reduction in spatial mismatch of material properties. Moreover, it is shown that a graded ceramic volume fraction in two directions has a higher capability to reduce the natural frequency than conventional one-dimensional functionally graded material. The multidirectional graded material can likely be designed according to the actual requirement and it is a potential alternative to the unidirectional functionally graded material. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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