A theoretical method is presented to investigate the thermoelastic and dynamic response of functionally graded material (FGM) rectangular plates made up of metal and ceramic. The temperature is assumed to be constant in the plane of the plate and to vary in the thickness direction only. Material properties are assumed to be temperature-dependant, and vary continuously through the thickness according to a power law distribution in terms of the volume fraction of the constituents. The third order shear deformation theory (TSDT) to account for rotary inertia and transverse shear strains is adopted to formulate the theoretical model. The modal analysis technique is used to develop the analytic solutions of the dynamic problem. The effect of material compositions and temperature fields is examined. The present theoretical results are verified by comparing with those from finite element analysis by ANSYS.
Bending and buckling analysis of multi-directional porous functionally graded sandwich plate has been performed for two cases namely: FG skin with homogeneous core and FG core with homogeneous skin. The principle of virtual displacements was employed and the solution was obtained using Navier's technique. This theory imposes traction-free boundary conditions on the surfaces and does not require shear correction factors. The validation of the present study has been performed with those available in the literature. The composition of metal-ceramic-based FGM changes in longitudinal and transverse directions according to the power law. Different porosity laws, such as uniform distribution, unevenly and logarithmically uneven distributions were used to mimic the imperfections in the functionally graded material that were introduced during the fabrication process. Several sandwich plates schemes were studied based on the plate's symmetry and the thickness of each layer. The effects of grading parameters and porosity laws on the bending and buckling of sandwich plates were examined.
In this paper, the classical continuum mechanics is adopted and modified to be consistent with the unique behavior of micro/nano solids. At first, some kinematical principles are discussed to illustrate the effect of the discrete nature of the microstructure of micro/nano solids. The fundamental equations and relations of the modified couple stress theory are derived to illustrate the microstructural effects on nanostructures. Moreover, the effect of the material surface energy is incorporated into the modified continuum theory. Due to the reduced coordination of the surface atoms a residual stress field, namely surface pretension, is generated in the bulk structure of the continuum. The essential kinematical and kinetically relations of nano-continuums are derived and discussed. These essential relations are used to derive a size-dependent model for Mindlin functionally graded (FG) nano-plates. An analytical solution is derived to show the feasibility of the proposed size-dependent model. A parametric study is provided to express the effect of surface parameters and the effect of the microstructure couple stress on the bending behavior of a simply supported FG nano plate.
Zaoui, Fatima Zohra;Tounsi, Abdelouahed;Ouinas, Djamel;Olay, Jaime A. Vina
Structural Engineering and Mechanics
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제74권1호
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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.
The functionally graded materials (FGM) used in plates contain probably a porosity volume fraction which needs taking into account this aspect of imperfection in the mechanical bahavior of such structures. The present work aims to study the effect of the distribution forms of porosity on the bending of simply supported FG plate reposed on the Winkler-Pasternak foundation. A refined theory of shear deformation is developed to study the effect of the distribution shape of porosity on static behavior of FG plates. It was found that the distribution form of porosity significantly influence the mechanical behavior of FG plates, in terms of deflection, normal and shear stress. It can be concluded that the proposed theory is simple and precise for the resolution of the behavior of flexural FGM plates resting on elastic foundations while taking into account the shape of distribution of the porosity.
Belkhodja, Y.;Ouinas, D.;Fekirini, H.;Olay, J.A. Vina;Achour, B.;Touahmia, M.;Boukendakdji, M.
Smart Structures and Systems
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제29권3호
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pp.395-420
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2022
A new hybrid quasi-3D and 2D high-order shear deformation theory is studied in this mathematical formulation, for an investigation of the bending, free vibrations and buckling influences on a functionally graded material plate. The theoretical formulation has been begun by a displacement field of five unknowns, governing the transverse displacement across the thickness of the plate by bending, shearing and stretching. The transverse shear deformation effect has been taken into consideration, satisfying the stress-free boundary conditions, especially on plate free surfaces as parabolic variation through its thickness. Thus, the mechanical properties of the functionally graded plate vary across the plate thickness, following three distributions forms: the power law, exponential form and the Mori-Tanaka scheme. The mechanical properties are used to develop the equations of motion, obtained from the Hamilton principle, and solved by applying the Navier-type solution for simply supported boundary conditions. The results obtained are compared with other solutions of 2D, 3D and quasi-3D plate theories have been found in the literature.
The free vibration of temperature-dependent functionally graded plates (FGPs) resting on a viscoelastic foundation is investigated in this paper using a newly developed simple first-order shear deformation theory (FSDT). Unlike other first order shear deformation (FSDT) theories, the proposed model contains only four variables' unknowns in which the transverse shear stress and strain follow a parabolic distribution along the plates' thickness, and they vanish at the top and bottom surfaces of the plate by considering a new shape function. For this reason, the present theory requires no shear correction factor. Linear steady-state thermal loads and power-law material properties are supposed to be graded across the plate's thickness. Uniform, linear, non-linear, and sinusoidal thermal rises are applied at the two surfaces for simply supported FGP. Hamilton's principle and Navier's approach are utilized to develop motion equations and analytical solutions. The developed theory shows progress in predicting the frequencies of temperature-dependent FGP. Numerical research is conducted to explain the effect of the power law index, temperature fields, and damping coefficient on the dynamic behavior of temperature-dependent FGPs. It can be concluded that the equation and transformation of the proposed model are as simple as the FSDT.
A new quasi-3D higher shear deformation theory (quasi-3D HSDT) for functionally graded plates is proposed in this article. The theory considers both shear deformation and thickness-stretching influences by a hyperbolic distribution of all displacements within the thickness, and respects the stress-free boundary conditions on the upper and lower surfaces of the plate without using any shear correction factor. The highlight of the proposed theory is that it uses undetermined integral terms in displacement field and involves a smaller number of variables and governing equations than the conventional quasi-3D theories, but its solutions compare well with 3D and quasi-3D solutions. Equations of motion are obtained from the Hamilton principle. Analytical solutions for buckling and dynamic problems are deduced for simply supported plates. Numerical results are presented to prove the accuracy of the proposed theory.
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.
In this paper, a new application of a four variable refined plate theory to analyze the nonlinear bending of functionally graded plates exposed to thermo-mechanical loadings, is presented. This recent theory is based on the assumption that the transverse displacements consist of bending and shear components in which the bending components do not contribute toward shear forces, and similarly, the shear components do not contribute toward bending moments. The derived transverse shear strains has a quadratic variation across the thickness that satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factors. The material properties are assumed to vary continuously through the thickness of the plate according to a power-law distribution of the volume fraction of the constituents. The solutions are achieved by minimizing the total potential energy. The non-linear strain-displacement relations in the von Karman sense are used to derive the effect of geometric non-linearity. It is concluded that the proposed theory is accurate and simple in solving the nonlinear bending behavior of functionally graded plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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