In this paper, the first-order shear deformation theory (FSDT) (Mindlin) for continuum incorporating surface energy is exploited to study the static behavior of ultra-thin functionally graded (FG) plates. The size-dependent mechanical response is very important while the plate thickness reduces to micro/nano scales. Bulk stresses on the surfaces are required to satisfy the surface balance conditions involving surface stresses. Unlike the classical continuum plate models, the bulk transverse normal stress is preserved here. By incorporating the surface energies into the principle of minimum potential energy, a series of continuum governing differential equations which include intrinsic length scales are derived. The modifications over the classical continuum stiffness are also obtained. To illustrate the application of the theory, simply supported micro/nano scaled rectangular films subjected to a transverse mechanical load are investigated. Numerical examples are presented to present the effects of surface energies on the behavior of functionally graded (FG) film, whose effective elastic moduli of its bulk material are represented by the simple power law. The proposed model is then used for a comparison between the continuum analysis of FG ultra-thin plates with and without incorporating surface effects. Also, the transverse shear strain effect is studied by a comparison between the FG plate behavior based on Kirchhoff and Mindlin assumptions. In our analysis the residual surface tension under unstrained conditions and the surface Lame constants are expected to be the same for the upper and lower surfaces of the FG plate. The proposed model is verified by previous work.
Laminated plates have many applications in different industrials. Buckling analysis of these structures with the nano-scale reinforcement has not investigated yet. However, buckling analysis of embedded laminated plates with nanocomposite layers is studied in this paper. Considering the single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as reinforcement of layers, SWCNTs agglomeration effects and nonlinear analysis using numerical method are the main contributions of this paper. Mori-Tanaka model is applied for obtaining the equivalent material properties of structure and considering agglomeration effects. The elastic medium is simulated by spring and shear constants. Based on first order shear deformation theory (FSDT), the governing equations are derived based on energy method and Hamilton's principle. Differential quadrature method (DQM) is used for calculating the buckling load of system. The effects of different parameters such as the volume percent of SWCNTs, SWCNTs agglomeration, number of layers, orientation angle of layers, elastic medium, boundary conditions and axial mode number of plate on the buckling of the structure are shown. Results indicate that increasing volume percent of SWCNTs increases the buckling load of the plate. Furthermore, considering agglomeration effects decreases the buckling load of system. In addition, it is found that the present results have good agreement with other works.
The present study is concerned with the stochastic linear free vibration study of laminated composite plate embedded with piezoelectric layers with random material properties. The system equations are derived using higher order shear deformation theory. The lamina material properties of the laminate are modeled as basic random variables for accurate prediction of the system behavior. A $C^0$ finite element is used for spatial descretization of the laminate. First order Taylor series based mean centered perturbation technique in conjunction with finite element method is outlined for the problem. The outlined probabilistic approach is used to obtain typical numerical results, i.e., the mean and standard deviation of natural frequency. Different combinations of simply supported, clamped and free boundary conditions are considered. The effect of side to thickness ratio, aspect ratio, lamination scheme on scattering of natural frequency is studied. The results are compared with those available in literature and an independent Monte Carlo simulation.
S. Abdul Ameer;Abbas Hameed Abdul Hussein;Mohammed H. Mahdi;Fahmy Gad Elsaid;V. Tahouneh
Steel and Composite Structures
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제50권4호
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pp.429-441
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2024
This paper studies the free vibration behavior of trapezoidal shaped coupled double-layered graphene sheets (DLGS) system using first-order shear deformation theory (FSDT) and incorporating nonlocal elasticity theory. Two nanoplates are assumed to be bonded by an interlayer van der walls force and surrounded by an external kelvin-voight viscoelastic medium. The governing equations together with related boundary condition are discretized using a mapping-differential quadrature method (DQM) in the spatial domain. Then the natural frequency of the system is obtained by solving the eigen value matrix equation. The validity of the current study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature and then a parametric study is thoroughly performed, concentrating on the series effects of angles and aspect ratio of GS, viscoelastic medium, and nonlocal parameter. The model is used to study the vibration of DLGS for two typical deformation modes, the in-phase and out-of-phase vibrations, which are investigated. Numerical results indicate that due to Increasing the damping parameter of the viscoelastic medium has reduced the frequency of both modes and this medium has been able to overdamped the oscillations and by increasing stiffness parameters both in-phase and out-of-phase vibration frequencies increased.
This paper deals with the maximization of the critical buckling load of simply supported antisymmetric angle-ply plates resting on Pasternak foundation subjected to compressive loads using teaching learning based optimization method (TLBO). The first order shear deformation theory is used to obtain governing equations of the laminated plate. In the present optimization problem, the objective function is to maximize the buckling load factor and the design variables are the fibre orientation angles in the layers. Computer programming is developed in the MATLAB environment to estimate optimum stacking sequences of laminated plates. A comparison also has been performed between the TLBO, genetic algorithm (GA) and differential evolution algorithm (DE). Some examples are solved to show the applicability and usefulness of the TLBO for maximizing the buckling load of the plate via finding optimum stacking sequences of the plate. Additionally, the influences of different number of layers, plate aspect ratios, foundation parameters and load ratios on the optimal solutions are investigated.
This paper proposes the use of a porous core between layers of laminated composite plates to examine its effect on the natural frequencies of the resulted porous laminated composite sandwich plate (PLCSP) resting on a two-parameter elastic foundation. Moreover, it has been suggested that the dispersion of porosity has two different functionally graded (FG) patterns which are compared with a uniformly dispersed (UD) profile to find their best vibrational efficiency in the proposed PLCSPs. In FG patterns, two types of dispersions, including symmetric (FG-S) and asymmetric (FG-A) patterns have been considered. To derive the governing Eigen value equation of such structures, the first order shear deformation theory (FSDT) of plates has been employed. Accordingly, a finite element method (FEM) is developed to solve the derived Eigen value equation. Using the mentioned theory and method, the effects of porosity parameters, fiber orientation of laminated composite, geometrical dimensions, boundary conditions and elastic foundation on the natural frequencies of the proposed PLCSPs have been studied. It is observed that embedding porosity in core layer leads to a significant improvement in the natural frequencies of PLCSPs. Moreover, the natural frequencies of PLCSPs with FG porous core are higher than those with UD porous core.
This work deals with the size-dependent wave propagation analysis of functionally graded (FG) anisotropic nanoplates based on a nonlocal strain gradient refined plate model. The present model incorporates two scale coefficients to examine wave dispersion relations more accurately. Material properties of FG anisotropic nanoplates are exponentially varying in the z-direction. In order to solve the governing equations for bulk waves, an analytical method is performed and wave frequencies and phase velocities are obtained as a function of wave number. The influences of several important parameters such as material graduation exponent, geometry, Winkler-Pasternak foundation parameters and wave number on the wave propagation of FG anisotropic nanoplates resting on the elastic foundation are investigated and discussed in detail. It is concluded that these parameters play significant roles on the wave propagation behavior of the nanoplates. From the best knowledge of authors, it is the first time that FG nanoplate made of anisotropic materials is investigated, so, presented numerical results can serve as benchmarks for future analysis of such structures.
본 연구에서는 1차 전단변형이론을 고려한 비국소 자기-전기-탄성 나노 판의 2방향 좌굴해석에 관하여 연구하였다. 면내 전기-자기-탄성 나노 판에서 전기장과 자기장은 무시할 수 있다. 자기-전기 경계조건과 맥스웰 방정식에 따라 전기-자기-탄성 나노 판의 두께 방향에 따른 자위 및 전위의 변화가 결정된다. 자기-전기-탄성 나노 판의 탄성이론을 재 공식화하기 위하여 에링겐의 비국소 미분 구성 관계식을 사용하였다. 변분이론을 이용하여 비국소 탄성이론의 지배방정식을 연구하였다. 비국소 이론과 국소 이론의 관계를 계산 결과를 통하여 분석하였다. 또한, 비국소 매개변수, 면내 하중 방향 그리고 형상비에 따른 구조적 응답을 연구하였다. 계산 결과들은 전위 및 자위의 효과를 나타내었다. 이러한 계산 결과들은 자기-전기-탄성 재료로 구성된 신소재 구조물의 설계 및 해석에 사용될 수 있고 향후 연구의 비교자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 판 구조물의 최적위상을 찾기 위한 비대칭 층을 가지는 인공재료모델을 이용한 위상최적화기법을 제시하였다. 구절점 판요소를 형성하기 위하여 판의 일차전단변형을 고려하는 Reissner-Mindlin 판이론이 도입되었다. 최소화하고자 하는 변형에너지를 목적함수로 하고 구조물의 초기부피를 제약함수로 채택하였다 인공재료모델에 존재하는 다공성물질의 구멍의 크기를 조절하기 위하여 최적정기준법을 바탕으로 하는 크기조절알고리듬을 도입하였다. 제시된 위상최적화 기법의 성능을 조사하기 위하여 수치예제를 수행하였다. 수치해석결과로부터 제시된 위상최적화기법은 판구조물의 최적위상을 도출하는데 매우 효과적인 것으로 나타났다. 특히 제시된 비대칭 층모델은 판구조물의 보강재를 보다 실제적으로 도출하는데 유용할 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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