The present study covenants with the static and free vibration behavior of nanocomposite sandwich plates reinforced by carbon nanotubes resting on Pasternak elastic foundation. Uniformly distributed (UD-CNT) and functionally graded (FG-CNT) distributions of aligned carbon nanotube are considered for two types of sandwich plates such as, the face sheet reinforced and homogeneous core and the homogeneous face sheet and reinforced core. Based on the first shear deformation theory (FSDT), the Hamilton's principle is employed to derive the mathematical models. The obtained solutions are numerically validated by comparison with some available cases in the literature. The elastic foundation model is assumed as one parameter Winkler - Pasternak foundation. A parametric study is conducted to study the effects of aspect ratios, foundation parameters, carbon nanotube volume fraction, types of reinforcement, core-to-face sheet thickness ratio and types of loads acting on the bending and free vibration analyses. It is explicitly shown that the (FG-CNT) face sheet reinforced sandwich plate has a high resistance against deflections compared to other types of reinforcement. It is also revealed that the reduction in the dimensionless natural frequency is most pronounced in core reinforced sandwich plate.
This disquisition proposes a nonlocal strain gradient beam theory for thermo-mechanical dynamic characteristics of embedded smart shear deformable curved piezoelectric nanobeams made of porous electro-elastic functionally graded materials by using an analytical method. Electro-elastic properties of embedded curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary through the thickness direction of beam according to the power-law which is modified to approximate material properties for even distributions of porosities. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, so in this study thermo-mechanical vibration analysis of curve FG piezoelectric nanobeam by considering the effect of these imperfections is performed. Nonlocal strain gradient elasticity theory is utilized to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field. The governing equations and related boundary condition of embedded smart curved porous FG nanobeam subjected to thermal and electric field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved piezoelectric nanobeam resting on Winkler and Pasternak foundation. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, electric voltage, coefficient of porosity, elastic foundation parameters, thermal effect, gradient index, strain gradient, elastic opening angle and slenderness ratio on the natural frequency of embedded curved FG porous piezoelectric nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play important roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
This paper presents a three-dimensional displacement-based formulation to investigate the free vibration of functionally graded nanoplates resting on a Winkler-Pasternak foundation based on the nonlocal elasticity theory. The material properties of the FG nanoplate are considered to vary continuously through the thickness of the nanoplate according to the power-law distribution model. A general three-dimensional displacement field is considered for the plate, which takes into account the out-of-plane strains of the plate as well as the in-plane strains. Unlike the shear deformation theories, in the present formulation, no predetermined form for the distribution of displacements and transverse strains is considered. The equations of motion for functionally graded nanoplate are derived based on Hamilton's principle. The solution is obtained for simply-supported nanoplate, and the predicted results for natural frequencies are compared with the predictions of shear deformation theories which are available in the literature. The predictions of the present theory are discussed in detail to investigate the effects of power-law index, length-to-thickness ratio, mode numbers and the elastic foundation on the dynamic behavior of the functionally graded nanoplate. The present study presents a three-dimensional solution that is able to determine more accurate results in predicting of the natural frequencies of flexural and thickness modes of nanoplates. The effects of parameters that play a key role in the analysis and mechanical design of functionally graded nanoplates are investigated.
Zakaria Belabed;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta;Abdeldjebbar Tounsi;Hoang-Le Minh
Geomechanics and Engineering
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v.36
no.2
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pp.183-204
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2024
In current investigation, a novel beam finite element model is formulated to analyze the buckling and free vibration responses of functionally graded porous beams resting on Winkler-Pasternak elastic foundations. The novelty lies in the formulation of a simplified finite element model with only three degrees of freedom per node, integrating both C0 and C1 continuity requirements according to Lagrange and Hermite interpolations, respectively, in isoparametric coordinate while emphasizing the impact of z-coordinate-dependent porosity on vibration and buckling responses. The proposed model has been validated and demonstrating high accuracy when compared to previously published solutions. A detailed parametric examination is performed, highlighting the influence of porosity distribution, foundation parameters, slenderness ratio, and boundary conditions. Unlike existing numerical techniques, the proposed element achieves a high rate of convergence with reduced computational complexity. Additionally, the model's adaptability to various mechanical problems and structural geometries is showcased through the numerical evaluation of elastic foundations, with results in strong agreement with the theoretical formulation. In light of the findings, porosity significantly affects the mechanical integrity of FGP beams on elastic foundations, with the advanced beam element offering a stable, efficient model for future research and this in-depth investigation enriches porous structure simulations in a field with limited current research, necessitating additional exploration and investigation.
In the most of previous studies, researchers have restricted their own studies to consider the effect of single walled carbon nanotubes as a reinforcement on the vibrational behavior of structures. In the present work, free vibration characteristics of functionally graded annular plates reinforced by multi-walled carbon nanotubes resting on Pasternak foundation are presented. The response of the elastic medium is formulated by the Winkler/Pasternak model. Modified Halpin-Tsai equation was used to evaluate the Young's modulus of the multi-walled carbon nanotube/epoxy composite samples by the incorporation of an orientation as well as an exponential shape factor in the equation. The exponential shape factor modifies the Halpin-Tsai equation from expressing a straight line to a nonlinear one in the multi-walled carbon nanotubes wt% range considered. The 2-D generalized differential quadrature method as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the equations of motion and to implement the various boundary conditions. The effects of two-parameter elastic foundation modulus, geometrical and material parameters together with the boundary conditions on the frequency parameters of the plates are investigated. This study serves as a benchmark for assessing the validity of numerical methods or two-dimensional theories used to analysis of annular plates.
The aim of this work is to study the hygro-thermo-mechanical bending responses of simply supported FG plate resting on a Winkler-Pasternak elastic foundation. The effect transverse shear strains is taken into account in which the zero transverse shear stress condition on the top and bottom surfaces of the plate is ensured without using any shear correction factors. The developed model contains only four unknowns variable which is reduced compared to other HSDTs models. The material properties of FG-plate are supposed to vary across the thickness of the plate according to power-law mixture. The differential governing equations are derived based on the virtual working principle. Numerical outcomes of bending analysis of FG plates under hygro-thermo-mechanical loads are performed and compared with those available in the literature. The effects of the temperature, moisture concentration, elastic foundation parameters, shear deformation, geometrical parameters, and power-law-index on the dimensionless deflections, axial and transverse shear stresses of the FG-plate are presented and discussed.
Concrete is the most widely used substance in construction industry, so it's been required to improve its quality using new technologies. Nowadays, nanotechnology offers new frontiers for improving construction materials. In this paper, we study the stability analysis of the Single Walled Carbon Nanotubes (SWCNT) reinforced concrete cylindrical shell embedded in elastic foundation using the Donnell cylindrical shell theory. In this regard, we propose a new explicit analytical formula of the critical buckling load which takes into account the distribution of SWCNT reinforcement through the thickness of the concrete shell using the U, X, O and V forms and the elastic foundation using Winkler and Pasternak models. The rule of mixture is used to calculate the effective properties of the reinforced concrete cylindrical shell. The influence of diverse parameters on the stability behavior of the reinforced concrete shell is also discussed.
In the present work, the buckling behavior of a single-layered graphene sheet (SLGS) embedded in visco-Pasternak's medium is studied using nonlocal four-unknown integral model. This model has a displacement field with integral terms which includes the effect of transverse shear deformation without using shear correction factors. The visco-Pasternak's medium is introduced by considering the damping effect to the classical foundation model which modeled by the linear Winkler's coefficient and Pasternak's (shear) foundation coefficient. The SLGS under consideration is subjected to compressive in- plane edge loads per unit length. The influences of many parameters such as nonlocal parameter, geometric ratio, the visco-Pasternak's coefficients, damping parameter, and mode numbers on the buckling response of the SLGSs are studied and discussed.
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).
In this article the frequency response analysis of curved magneto-electro-viscoelastic functionally graded (CMEV-FG) nanobeams resting on viscoelastic foundation has been carried out. To this end, the study incorporates the Euler-Bernoulli beam model in association with Eringen's nonlocal theory to incorporate the size effects. The viscoelastic foundation in the current investigation is assumed to be the combination of Winkler-Pasternak layer and viscous layer of infinite parallel dashpots. The equations of motion are derived with the aid of Hamilton's principle and the solution to vibration problem of CMEV-FG nanobeams are obtained analytically. The material gradation is considered to follow Power-law rule. This study thoroughly investigates the influence of prominent parameters such as linear, shear and viscous layers of foundation, structural damping coefficient, opening angle, magneto-electrical field, nonlocal parameter, power-law exponent and slenderness ratio on the frequencies of FG nanobeams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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