Purpose: This study attempts at analyzing mechanical response of functionally graded material (FGM) plates in bending. An accurate and effective numerical approach based on isogeometric analysis (IGA) combined with higher-order shear deformation plate theory to predict the nonlinear flexural behavior is developed. Method: A higher-order shear deformation theory(HSDT) which accounts for the geometric nonlinearity in the von Karman sense is presented and used to derive the equilibrium and governing equations for FGM plate in bending. The nonlinear equations are solved by the modified Newton-Raphson iterative technique. Result: The volume fraction, plate length-to-thickness ratio and boundary condition have signifiant effects on the nonlinear flexural behavior of FGM plates. Conclusion: The proposed IGA method can be used as an accurate and effective numerical tool for analyzing the mechanical responses of FGM plates in flexure.
Esmaeilzadeh, Mostafa;Golmakani, Mohammad Esmaeil;Kadkhodayan, Mehran;Amoozgar, Mohammadreza;Bodaghi, Mahdi
Advances in nano research
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v.10
no.2
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pp.151-163
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2021
The main target of this study is to investigate nonlinear transient responses of moving polymer nano-size plates fortified by means of Graphene Platelets (GPLs) and resting on a Winkler-Pasternak foundation under a transverse pressure force and a temperature variation. Two graphene spreading forms dispersed through the plate thickness are studied, and the Halpin-Tsai micro-mechanics model is used to obtain the effective Young's modulus. Furthermore, the rule of mixture is employed to calculate the effective mass density and Poisson's ratio. In accordance with the first order shear deformation and von Karman theory for nonlinear systems, the kinematic equations are derived, and then nonlocal strain gradient scheme is used to reflect the effects of nonlocal and strain gradient parameters on small-size objects. Afterwards, a combined approach, kinetic dynamic relaxation method accompanied by Newmark technique, is hired for solving the time-varying equation sets, and Fortran program is developed to generate the numerical results. The accuracy of the current model is verified by comparative studies with available results in the literature. Finally, a parametric study is carried out to explore the effects of GPL's weight fractions and dispersion patterns, edge conditions, softening and hardening factors, the temperature change, the velocity of moving nanoplate and elastic foundation stiffness on the dynamic response of the structure. The result illustrates that the effects of nonlocality and strain gradient parameters are more remarkable in the higher magnitudes of the nanoplate speed.
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.
Jie Wen;Abdul Hamid Sheikh;Md. Alhaz Uddin;A.B.M. Saiful Islam;Md. Arifuzzaman
Steel and Composite Structures
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v.48
no.6
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pp.693-708
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2023
Composite beams, two materials joined together, have become more common in structural engineering over the past few decades because they have better mechanical and structural properties. The shear connectors between their layers exhibit some deformability with finite stiffness, resulting in interfacial shear slip, a phenomenon known as partial shear interaction. Such a partial shear interaction contributes significantly to the composite beams. To provide precise predictions of the geometric nonlinear behavior shown by two-layered composite beams with interfacial shear slips, a robust analytical model has been developed that incorporates the influence of significant displacements. The application of a higher-order beam theory to the two material layers results in a third-order adjustment of the longitudinal displacement within each layer along the depth of the beam. Deformable shear connectors are employed at the interface to represent the partial shear interaction by means of a sequence of shear connectors that are evenly distributed throughout the beam's length. The Von-Karman theory of large deflection incorporates geometric nonlinearity into the governing equations, which are then solved analytically using the Navier solution technique. Suggested model exhibits a notable level of agreement with published findings, and numerical outputs derived from finite element (FE) model. Large displacement substantially reduces deflection, interfacial shear slip, and stress values. Geometric nonlinearity has a significant impact on beams with larger span-to-depth ratio and a greater degree of shear connector deformability. Potentially, the analytical model can accurately predict the geometric nonlinear responses of composite beams. The model has a high degree of generality, which might aid in the numerical solution of composite beams with varying configurations and shear criteria.
This paper presents the dynamic instability analysis of un-damped elastically supported piezoelectric functionally graded (FG) beams subjected to in-plane static and dynamic periodic thermomechanical loadings with uncertain system properties. The elastic foundation model is assumed as one parameter Pasternak foundation with Winkler cubic nonlinearity. The piezoelectric FG beam is subjected to non-uniform temperature distribution with temperature dependent material properties. The Young's modulus and Poison's ratio of ceramic, metal and piezoelectric, density of respective ceramic and metal, volume fraction exponent and foundation parameters are taken as uncertain system properties. The basic nonlinear formulation of the beam is based on higher order shear deformation theory (HSDT) with von-Karman strain kinematics. The governing deterministic static and dynamic random instability equation and regions is solved by Bolotin's approach with Newmark's time integration method combined with first order perturbation technique (FOPT). Typical numerical results in terms of the mean and standard deviation of dynamic instability analysis are presented to examine the effect of slenderness ratios, volume fraction exponents, foundation parameters, amplitude ratios, temperature increments and position of piezoelectric layers by changing the random system properties. The correctness of the present stochastic model is examined by comparing the results with direct Monte Caro simulation (MCS).
This article covenants with the post buckling witticism of carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) beam supported with an elastic foundation in thermal atmospheres with arbitrary assumed random system properties. The arbitrary assumed random system properties are be modeled as uncorrelated Gaussian random input variables. Unvaryingly distributed (UD) and functionally graded (FG) distributions of the carbon nanotube are deliberated. The material belongings of CNTRC beam are presumed to be graded in the beam depth way and appraised through a micromechanical exemplary. The basic equations of a CNTRC beam are imitative constructed on a higher order shear deformation beam (HSDT) theory with von-Karman type nonlinearity. The beam is supported by two parameters Pasternak elastic foundation with Winkler cubic nonlinearity. The thermal dominance is involved in the material properties of CNTRC beam is foreseen to be temperature dependent (TD). The first and second order perturbation method (SOPT) and Monte Carlo sampling (MCS) by way of CO nonlinear finite element method (FEM) through direct iterative way are offered to observe the mean, coefficient of variation (COV) and probability distribution function (PDF) of critical post buckling load. Archetypal outcomes are presented for the volume fraction of CNTRC, slenderness ratios, boundary conditions, underpinning parameters, amplitude ratios, temperature reliant and sovereign random material properties with arbitrary system properties. The present defined tactic is corroborated with the results available in the literature and by employing MCS.
A first endeavor is made to exploit the differential quadrature method (DQM) as a simple, accurate, and computationally efficient numerical tool for the large deformation analysis of thin laminated composite skew plates, which has very strong singularity at the obtuse vertex. The geometrical nonlinearity is modeled by using Green's strain and von Karman assumption. A recently developed DQ methodology is used to exactly implement the multiple boundary conditions at the edges of skew plates, which is a major draw back of conventional DQM. Using oblique coordinate system and the DQ methodology, a mapping-DQ discretization rule is developed to simultaneously transform and discretize the equilibrium equations and the related boundary conditions. The effects of skew angle, aspect ratio and different types of boundary conditions on the convergence and accuracy of the presented method are studied. Comparing the results with the available results from other numerical or analytical methods, it is shown that accurate results are obtained even when using only small number of grid points. Finally, numerical results for large deflection behavior of antisymmetric cross ply skew plates with different geometrical parameters and boundary conditions are presented.
The objective of this work is to predict the failure loads, associated maximum transverse displacements, locations and the modes of failure, including the onset of delamination, of thin, flat, square symmetric laminates under the action of uni-axial compression. Two progressive failure analyses, one using Hashin criterion and the other using Tensor polynomial criteria, are used in conjunction with the finite element method. First order shear deformation theory and geometric nonlinearity in the von Karman sense have been employed. Five different types of lay-up sequence are considered for laminates with all edges simply supported. In addition, two boundary conditions, one with all edges fixed and other with mixed boundary conditions for $(+45/-45/0/90)_{2s}$ quasi-isotropic laminate have also been considered to study the effect of boundary restraints on the failure loads and the corresponding modes of failure. A comparison of linear and nonlinear results is also made for $({\pm}45/0/90)_{2s}$ quasi-isotropic laminate. It is observed that the maximum difference between the failure loads predicted by various criteria depend strongly on the laminate lay-ups and the flexural boundary restraints. Laminates with clamped edges are found to be more susceptible to failure due to the transverse shear and delamination, while those with the simply supported edges undergo total collapse at a load slightly higher than the fiber failure load.
Chikh, Abdelbaki;Bakora, Ahmed;Heireche, Houari;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Bedia, E.A. Adda
Structural Engineering and Mechanics
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v.57
no.4
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pp.617-639
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2016
In this work, an analytical formulation based on both hyperbolic shear deformation theory and stress function, is presented to study the nonlinear post-buckling response of symmetric functionally graded plates supported by elastic foundations and subjected to in-plane compressive, thermal and thermo-mechanical loads. Elastic properties of material are based on sigmoid power law and varying across the thickness of the plate (S-FGM). In the present formulation, Von Karman nonlinearity and initial geometrical imperfection of plate are also taken into account. By utilizing Galerkin procedure, closed-form expressions of buckling loads and post-buckling equilibrium paths for simply supported plates are obtained. The effects of different parameters such as material and geometrical characteristics, temperature, boundary conditions, foundation stiffness and imperfection on the mechanical and thermal buckling and post-buckling loading capacity of the S-FGM plates are investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.9
s.180
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pp.2201-2210
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2000
Vibration of a rotating disk-spindle system is analyzed by using Hamilton's principle, FEM and substructure synthesis. A rotating disk undergoes the rigid body motion and the elastic deformation. It s equation of motion is derived by Kirchhoff plate theory and von Karman nonlinear strain. A rotating shaft is described by Rayleigh beam theory considering the axial rigid body motion. The stationay shaft supporting the rotating disk-spindle-bearing system is modeled by Euler beam theory, and the stiffness of ball bearing is determined by A.B.Jones' theory. FEM is used to solve the derived governing equations, and substructure synthesis is introduced to assemble each structure of the rotating disk-spindle system. The developed theory is applied to the spindle system of a 35' computer hard disk drive with 3 disks to verify the simulation results. The simulation results agree very well with the experimental ones. The proposed theory may be effectively expanded to the complex structure of a disk-spindle system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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