In this study the finite element method is utilized to predict the deflection and vibration characteristics of rectangular plates made of saturated porous functionally graded materials (PFGM) within the framework of the third order shear deformation plate theory. Material properties of PFGM plate are supposed to vary continuously along the thickness direction according to the power-law form and the porous plate is assumed of the form where pores are saturated with fluid. Various edge conditions of the plate are analyzed. The governing equations of motion are derived through energy method, using calculus of variations while the finite element model is derived based on the constitutive equation of the porous material. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling and finite element approach can provide accurate deflection and frequency results of the PFGM plates as compared to the previously published results in literature. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as porosity volume fraction, material distribution profile, mode number and boundary conditions on the natural frequencies and deflection of the PFGM plates in detail. It is explicitly shown that the deflection and vibration behaviour of porous FGM plates are significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FGM plates with porosity phases.
The free and forced nonlinear dynamic behaviors of Porous Functionally Graded Material (PFGM) plates are examined by means of a High-Order Implicit Algorithm (HOIA). The formulation is developed using the Third-order Shear Deformation Theory (TSDT). Unlike previous works, the formulation is written without resorting to any homogenization technique neither rule of mixture nor considering FGM as a laminated composite, and the distribution of the porosity is assumed to be gradually variable through the thickness of the PFGM plates. Using the Hamilton principle, we establish the governing equations of motion. The Finite Element Method (FEM) is used to compute approximations of the resulting equations; FEM is adopted using a four-node quadrilateral finite element with seven Degrees Of Freedom (DOF) per node. Nonlinear equations are solved by a HOIA. The accuracy and the performance of the proposed approach are verified by presenting comparisons with literature results for vibration natural frequencies and dynamic response of PFGM plates under external loading. The influences of porosity volume fraction, porosity distribution, slenderness ratio and other parameters on the vibrations of PFGM plate are explored. The results demonstrate the significant impact of different physical and geometrical parameters on the vibration behavior of the PFGM plate.
In this study, a new refined hyperbolic shear deformation theory (RHSDT) is developed using an equivalent single-layer shell displacement model for the static bending and free vibration response of cross-ply laminated composite spherical shells. It is based on a new kinematic in which the transverse displacement is approximated as a sum of the bending and shear components, leading to a reduction of the number of unknown functions and governing equations. The proposed theory uses the hyperbolic shape function to account for an appropriate distribution of the transverse shear strains through the thickness and satisfies the boundary conditions on the shell surfaces without requiring any shear correction factors. The shell governing equations for this study are derived in terms of displacement from Hamilton's principle and solved via a Navier-type analytical procedure. The validity and high accuracy of the present theory are ascertained by comparing the obtained numerical results of displacements, stresses, and natural frequencies with their counterparts generated by some higher-order shear deformation theories. Further, a parametric study examines in detail the effect of both geometrical parameters (i.e., side-to-thickness ratio and curvature-radius-to-side ratio), on the bending and free vibration response of simply supported laminated spherical shells, which can be very useful for many modern engineering applications and their optimization design.
Purpose: This study investigates mechanical behavior of functionally graded (FG) carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) plate in flexure. Isogeometric analysis (IGA) method coupled with shear deformable theory of higher-order (HSDT) to analyze the nonlinear bending response is presented. Method: Shear deformable plate theory into which a polynomial shear shape function and the von Karman type geometric nonlinearity are incorporated is used to derive the nonlinear equations of equilibrium for FG-CNTRC plate in bending. The modified Newton-Raphson iteration is adopted to solve the system equations. Result: The dispersion pattern of carbon nanotubes, plate geometric parameter and boundary condition have significant effects on the nonlinear flexural behavior of FG-CNTRC plate. Conclusion: The proposed IGA method coupled with the HSDT can successfully predict the flexural behavior of FG-CNTRC plate.
The focus of this paper is to develop an analytical approach based on an efficient shear deformation theory with stretching effect for bending stress analysis of cross-ply laminated composite plates subjected to transverse parabolic load and line load by using a new kinematic model, in which the axial displacements involve an undetermined integral component in order to reduce the number of unknowns and a sinusoidal function in terms of the thickness coordinate to include the effect of transverse shear deformation. The present theory contains only five unknowns and satisfies the zero shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using any shear correction factors. The governing differential equations and its boundary conditions are derived by employing the static version of principle of virtual work. Closed-form solutions for simply supported cross-ply laminated plates are obtained applying Navier's solution technique, and the numerical case studies are compared with the theoretical results to verify the utility of the proposed model. Lastly, it can be seen that the present outlined theory is more accurate and useful than some higher-order shear deformation theories developed previously to study the static flexure of laminated composite plates.
Fatima Z. Zaoui;Djamel Ouinas;Abdelouahed Tounsi;Belkacem Achour;Jaime A. Vina Olay;Tayyab A. Butt
Steel and Composite Structures
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v.47
no.5
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pp.551-568
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2023
In this research, a new two-dimensional (2D) and quasi three-dimensional (quasi-3D) higher order shear deformation theory is devised to address the bending problem of functionally graded plates resting on an elastic foundation. The displacement field of the suggested theories takes into account a parabolic transverse shear deformation shape function and satisfies shear stress free boundary conditions on the plate surfaces. It is expressed as a combination of trigonometric and exponential shear shape functions. The Pasternak mathematical model is considered for the elastic foundation. The material properties vary constantly across the FG plate thickness using different distributions as power-law, exponential and Mori-Tanaka model. By using the virtual works principle and Navier's technique, the governing equations of FG plates exposed to sinusoidal and evenly distributed loads are developed. The effects of material composition, geometrical parameters, stretching effect and foundation parameters on deflection, axial displacements and stresses are discussed in detail in this work. The obtained results are compared with those reported in earlier works to show the precision and simplicity of the current formulations. A very good agreement is found between the predicted results and the available solutions of other higher order theories. Future mechanical analyses of three-dimensionally FG plate structures can use the study's findings as benchmarks.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.19
no.3
s.73
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pp.223-231
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2006
This study deals with behavior characteristics of laminated composite folded structures according to ratio of folded length based on a higher-order shear deformation theory. Well-known mixed finite element method using Lagrangian and Hermite shape interpolation functions is a little complex and have some difficulties applying to a triangular element. However, a higher-order shear deformation theory using only Lagrangian shape interpolation functions avoids those problems. In this paper, a drilling degree of freedom is appended for more accurate analysis and computational simplicity of folded plates. There are ten degrees of freedom per node, and four nodes per element. Journal on folded plates for effects of length variations is not expressed. Many results in this study are carried out according to ratio of folded length. The rational design is possible through analyses of complex and unpredictable laminated composite folded structures.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.6
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pp.505-512
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2012
In this paper, an efficient yet accurate method for the thermal stress analysis using a first order shear deformation theory(FSDT) is presented. The main objective herein is to systematically modify transverse shear strain energy through the mixed variational theorem(MVT). In the mixed formulation, independent transverse shear stresses are taken from the efficient higher-order zigzag plate theory, and the in-plane displacements are assumed to be those of the FSDT. Moreover, a smooth parabolic distribution through the thickness is assumed in the transverse normal displacement field in order to consider a transverse normal deformation. The resulting strain energy expression is referred to as an enhanced first order shear deformation theory, which is obtained via the mixed variational theorem with transverse normal deformation effect(EFSDTM_TN). The EFSDTM_TN has the same computational advantage as the FSDT_TN(FSDT with transverse normal deformation effect) does, which allows us to improve the through-the-thickness distributions of displacements and stresses via the recovery procedure. The thermal stresses obtained by the present theory are compared with those of the FSDT_TN and three-dimensional elasticity.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2005.04a
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pp.217-224
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2005
A higher order zig-zag shell theory is developed to refine the predictions of the mechanical and thermal behaviors partially coupled. The in-plane displacement fields are constructed by superimposing linear zig-zag field to the smooth globally cubic varying field through the thickness. Smooth parabolic distribution through the thickness is assumed in the out-of-plane displacement in order to consider transverse normal deformation and stress. The layer-dependent degrees of freedom of displacement fields are expressed in terms of reference primary degrees of freedom by applying interface continuity conditions as well as bounding surface conditions of transverse shear stresses. Thus the proposed theory has only seven primary unknowns and they do not depend upon the number of layers. In the description of geometry and deformation of shell surface, all rigorous exact expressions are used. Through the numerical examples of partially coupled analysis, the accuracy and efficiency of the present theory are demonstrated. The present theory is suitable in the predictions of deformation and stresses of thick composite shell under mechanical and thermal loads combined.
In this study, the authors investigate the free vibration behavior of three-phases functionally graded sandwich plates using a novel nth-order shear deformation theory. These plates are composed of a homogeneous core and two face-sheet layers made of different functionally graded materials. This is the novel type of the sandwich structures that can be applied in many fields of mechanical engineering and industrial. The proposed theory only requires four unknown displacement functions, and the transverse displacement does not need to be separated into bending and shear parts, simplifying the theory. One noteworthy feature of the proposed theory is its ability to capture the parabolic distribution of transverse shear strains and stresses throughout the plate's thickness while ensuring zero values on the two free surfaces. By eliminating the need for shear correction factors, the theory further enhances computational efficiency. Equations of motion are established using Hamilton's principle and solved via Navier's solution. The accuracy and efficiency of the proposed theory are verified by comparing results with available solutions. The authors then use the proposed theory to investigate the free vibration characteristics of three-phases functionally graded sandwich plates, considering the effects of parameters such as aspect ratio, side-to-thickness ratio, skin-core-skin thicknesses, and power-law indexes. Through careful analysis of the free vibration behavior of three-phases functionally graded sandwich plates, the work highlighted the significant roles played by individual material ingredients in influencing their frequencies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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