The novelty of this work is the use of a new displacement field that includes undetermined integral terms for analyzing thermal buckling response of functionally graded (FG) sandwich plates. The proposed kinematic uses only four variables, which is even less than the first shear deformation theory (FSDT) and the conventional higher shear deformation theories (HSDTs). The theory considers a trigonometric variation of transverse shear stress and verifies the traction free boundary conditions without employing the shear correction factors. Material properties of the sandwich plate faces are considered to be graded in the thickness direction according to a simple power-law variation in terms of the volume fractions of the constituents. The core layer is still homogeneous and made of an isotropic material. The thermal loads are assumed as uniform, linear and non-linear temperature rises within the thickness direction. An energy based variational principle is employed to derive the governing equations as an eigenvalue problem. The validation of the present work is checked by comparing the obtained results the available ones in the literature. The influences of aspect and thickness ratios, material index, loading type, and sandwich plate type on the critical buckling are all discussed.
Rad, A. Behravan;Farzan-Rad, M.R.;Majd, K. Mohammadi
Structural Engineering and Mechanics
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v.64
no.5
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pp.591-610
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2017
This paper is concerned with the static analysis of variable thickness of two directional functionally graded porous materials (FGPM) circular plate resting on a gradient hybrid foundation (Horvath-Colasanti type) with friction force and subjected to compound mechanical loads (e.g., transverse, in-plane shear traction and concentrated force at the center of the plate).The governing state equations are derived in terms of displacements based on the 3D theory of elasticity, assuming the elastic coefficients of the plate material except the Poisson's ratio varying continuously throughout the thickness and radial directions according to an exponential function. These equations are solved semi-analytically by employing the state space method (SSM) and one-dimensional differential quadrature (DQ) rule to obtain the displacements and stress components of the FGPM plate. The effect of concentrated force at the center of the plate is approximated with the shear force, uniformly distributed over the inner boundary of a FGPM annular plate. In addition to verification study and convergence analysis, numerical results are displayed to show the effect of material heterogeneity indices, foundation stiffness coefficients, foundation gradient indices, loads ratio, thickness to radius ratio, compressibility, porosity and friction coefficient of the foundation on the static behavior of the plate. Finally, the responses of FG and FG porous material circular plates to compound mechanical loads are compared.
Sunil S. Yadav;Keshav K. Sangle;Mandar U. Kokane;Sandeep S. Pendhari;Yuwaraj M. Ghugal
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.3
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pp.281-302
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2023
In this paper, bending analysis of exponentially varying functionally graded (FG) plate is presented using trigonometric shear deformation theory (TSDT) considering both transverse shear and normal deformation effects. The in-plane displacement field consists of sinusoidal functions in thickness direction to include transverse shear strains and transverse displacement include the effect of transverse normal strain using the cosine function in thickness coordinate. The governing equations and boundary conditions of the theory are derived using the virtual work principle. System of governing equations, for simply supported conditions, Navier's solution technique is used to obtain results. Plate material properties vary across thickness direction according to exponential distribution law. In the current theory, transverse shear stresses are distributed accurately through the plate thickness, hence obviates the need for a shear correction factor. TSDT results are compared with those from other theories to ensure the accuracy and effectiveness of the present theory. The current theory is in excellent agreement with the semi-analytical theory.
In this manuscript, buckling response of the functionally graded material (FGM) nanoplate is investigated. Two opposite edges of nanoplate is under linear and nonlinear varying normal stresses. The small-scale effect is considered by Eringen's nonlocal theory. Governing equation are derived by nonlocal theory and Hamilton's principle. Navier's method is used to solve governing equation in simply boundary conditions. The obtained results exactly match the available results in the literature. The results of this research show the important role of nonlocal effect in buckling and stability behavior of nanoplates. In order to study the FG-index effect and different loading condition effects on buckling of rectangular nanoplate, Navier's method is applied and results are presented in various figures and tables.
This paper proposes a bending analysis for a functionally graded piezoelectric (FGP) plate through utilizing a two-variable shear deformation plate theory under simply-supported edge conditions. The number of unknown functions used in this theory is only four. The electric potential distribution is assumed to be a combination of a cosine function along the cartesian coordinate. Applying the analytical solutions of FGP plate by using Navier's approach and the principle of virtual work, the equilibrium equations are derived. The paper also discusses thoroughly the impact of applied electric voltage, plate's aspect ratio, thickness ratio and inhomogeneity parameter. Results are compared with the analytical solution obtained by classical plate theory, first-order-shear deformation theory, higher-order shear deformation plate theories and quasi-three-dimensional sinusoidal shear deformation plate theory.
This study uses the state-space approach to study the bending behavior of Levy-type functionally graded (FG) plates sandwiched between two piezoelectric layers. The coupled governing equations are obtained using Hamilton's principle and Maxwell's equation based on the efficient four-variable refined plate theory. The partial differential equations (PDEs) are converted using Levy's solution technique to ordinary differential equations (ODEs). In the context of the state-space method, the higher-order ODEs are simplified to a system of first-order equations and then solved. The results are compared with those reported in available references and those obtained from Abaqus FE simulations, and good agreements between results confirm the accuracy and efficiency of the approach. Also, the effect of different parameters such as power-law index, aspect ratio, type of boundary conditions, thickness-to-side ratio, and piezoelectric thickness are studied.
In this paper presents bending characteristic of single wall carbon nanotube reinforced functionally graded composite (SWCNTRC-FG) plates. The finite element implementation of bending analysis of laminated composite plate via well-established higher order shear deformation theory (HSDT). A seven degree of freedom and $C^0$ continuity finite element model using eight noded isoperimetric elements is developed for precise computation of deflection and stresses of SWCNTRC plate subjected to sinusoidal transverse load. The finite element implementation is carried out through a finite element code developed in MATLAB. The results obtained by present approach are compared with the results available in the literatures. The effective material properties of the laminated SWCNTRC plate are used by Mori-Tanaka method. Numerical results have been obtained with different parameters, width-to-thickness ratio (a/h), stress distribution profile along thickness direction, different SWCNTRC-FG plate, boundary condition, through the thickness (z/h) ratio, volume fraction of SWCNT.
Mahmoudi, Abdelkader;Benyoucef, Samir;Tounsi, Abdelouahed;Benachour, Abdelkader;Bedia, El Abbas Adda
Earthquakes and Structures
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v.14
no.2
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pp.117-128
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2018
In this research work, free vibrations of simply supported functionally graded plate resting on a Winkler-Pasternak elastic foundation are investigated by a new shear deformation theory. The influence of alternative micromechanical models on the macroscopic behavior of a functionally graded plate based on shear-deformation plate theories is examined. Several micromechanical models are tested to obtain the effective material properties of a two-phase particle composite as a function of the volume fraction of particles which continuously varies through the thickness of a functionally graded plate. Present theory exactly satisfies stress boundary conditions on the top and the bottom of the plate. The energy functional of the system is obtained using Hamilton's principle. The closed form solutions are obtained by using Navier technique, and then fundamental frequencies are found by solving the results of eigenvalue problems. Finally, the numerical results are provided to reveal the effect of explicit micromechanical models on natural fundamental frequencies.
This paper is first implemented with the bending behavior of three-dimensional functionally graded (3DFG) plates in the framework of level set-based topology optimization (LS-based TO). Besides, due to the suitable properties of the current design domain, the thin-plate spline (TPS) is recognized as a RBF to construct the LS function. The overall mechanical properties of the 3DFG plate are assessed using a power-law distribution scheme via Mori-Tanaka micromechanical material model. The bending response is obtained using the first-order shear deformation theory (FSDT). The mixed interpolation of four elements of tensorial components (MITC4) is also implemented to overcome a well-known shear locking problem when the thickness becomes thinner. The Hamilton-Jacobi method is utilized in each iteration to enforce the necessary boundary conditions. The mathematical formulas are expressed in great detail for the LS-based TO using 3DFG materials. Several numerical examples are exhibited to verify the efficiency and reliability of the current methodology with the previously reported literature. Finally, the influences of FG materials in the optimized design are explained in detail to illustrate the behaviors of optimized structures.
In this work, two dimensional (2D) and quasi three-dimensional (quasi-3D) HSDTs are proposed for bending and free vibration investigation of functionally graded (FG) plates using hyperbolic shape function. Unlike the existing HSDT, the proposed theories have a novel displacement field which include undetermined integral terms and contains fewer unknowns. The material properties of the plate is inhomogeneous and are considered to vary continuously in the thickness direction by three different distributions; power-law, exponential and Mori-Tanaka model, in terms of the volume fractions of the constituents. The governing equations which consider the effects of both transverse shear and thickness stretching are determined through the Hamilton's principle. The closed form solutions are deduced by employing Navier method and then fundamental frequencies are obtained by solving the results of eigenvalue problems. In-plane stress components have been determined by the constitutive equations of composite plates. The transverse stress components have been determined by integrating the 3D stress equilibrium equations in the thickness direction of the FG plate. The accuracy of the present formulation is demonstrated by comparisons with the different 2D, 3D and quasi-3D solutions available in the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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