Yahia, Sihame Ait;Atmane, Hassen Ait;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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v.53
no.6
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pp.1143-1165
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2015
In this work, various higher-order shear deformation plate theories for wave propagation in functionally graded plates are developed. Due to porosities, possibly occurring inside functionally graded materials (FGMs) during fabrication, it is therefore necessary to consider the wave propagation in plates having porosities in this study. The developed refined plate theories have fewer number of unknowns and equations of motion than the first-order shear deformation theory, but accounts for the transverse shear deformation effects without requiring shear correction factors. The rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the functionally graded plates with porosity phases. The governing equations of the wave propagation in the functionally graded plate are derived by employing the Hamilton's principle. The analytic dispersion relation of the functionally graded plate is obtained by solving an eigenvalue problem. The effects of the volume fraction distributions and porosity volume fraction on wave propagation of functionally graded plate are discussed in detail. The results carried out can be used in the ultrasonic inspection techniques and structural health monitoring.
An efficient shear deformation theory is developed for wave propagation analysis of an infinite functionally graded plate in the presence of thermal environments. By dividing the transverse displacement into bending and shear parts, the number of unknowns and governing equations of the present theory is reduced, and hence, makes it simple to use. The thermal effects and temperature-dependent material properties are both taken into account. The temperature field is assumed to be a uniform distribution over the plate surface and varied in the thickness direction only. Material properties are assumed to be temperature-dependent, and graded in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The governing equations of the wave propagation in the functionally graded plate are derived by employing the Hamilton's principle and the physical neutral surface concept. There is no stretching.bending coupling effect in the neutral surface-based formulation, and consequently, the governing equations and boundary conditions of functionally graded plates based on neutral surface have the simple forms as those of isotropic plates. The analytic dispersion relation of the functionally graded plate is obtained by solving an eigenvalue problem. The effects of the volume fraction distributions and temperature on wave propagation of functionally graded plate are discussed in detail. It can be concluded that the present theory is not only accurate but also simple in predicting the wave propagation characteristics in the functionally graded plate. The results carried out can be used in the ultrasonic inspection techniques and structural health monitoring.
The axisymmetric problem of a functionally graded annular plate is considered by extending the theory of functionally graded materials plates suggested by Mian and Spencer (1998). In particular, their expansion formula for displacements is adopted and the hypothesis that the material parameters can vary along the thickness direction in an arbitrary continuous fashion is retained. However, their analysis is extended here in two aspects. First, the material is assumed to be transversely isotropic, rather than isotropic. Second, the plate is no longer tractions-free on the top and bottom surfaces, but subject to uniform loads applied on the surfaces. The elasticity solutions are given for a uniformly loaded annular plate of functionally graded materials for a total of six different boundary conditions. Numerical results are given for a simply supported functionally graded annular plate, and good agreement with those by the classical plate theory is obtained.
In this paper, an efficient and simple refined theory is presented for buckling analysis of functionally graded plates. The theory, which has strong similarity with classical plate theory in many aspects, accounts for a quadratic variation of the transverse shear strains across the thickness and satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factors. The mechanical properties of functionally graded material are assumed to vary according to a power law distribution of the volume fraction of the constituents. Governing equations are derived from the principle of minimum total potential energy. The closed-form solutions of rectangular plates are obtained. Comparison studies are performed to verify the validity of present results. The effects of loading conditions and variations of power of functionally graded material, modulus ratio, aspect ratio, and thickness ratio on the critical buckling load of functionally graded plates are investigated and discussed.
In this article, an efficient and simple refined theory is proposed for buckling analysis of functionally graded plates by using a new displacement field which includes undetermined integral variables. This theory contains only four unknowns, with is even less than the first shear deformation theory (FSDT). Governing equations are obtained from the principle of virtual works. The closed-form solutions of rectangular plates are determined. Comparison studies are carried out to check the validity of obtained results. The influences of loading conditions and variations of power of functionally graded material, modulus ratio, aspect ratio, and thickness ratio on the critical buckling load of functionally graded plates are examined and discussed.
This paper presents nonlinear analysis of an arbitrary functionally graded circular plate integrated with two functionally graded piezoelectric layers resting on the Winkler-Pasternak foundation. Geometric nonlinearity is considered in the strain-displacement relation based on the Von-Karman assumption. All the mechanical and electrical properties except Poisson's ratio can vary continuously along the thickness of the plate based on a power function. Electric potential is assumed as a quadratic function along the thickness direction. After derivation of general nonlinear equations, as an instance, numerical results of a functionally graded material integrated with functionally graded piezoelectric material obeying two different functionalities is investigated. The effect of different parameters such as parameters of foundation, non homogenous index and boundary conditions can be investigated on the mechanical and electrical results of the system. A comprehensive comparison between linear and nonlinear responses of the system presents necessity of this study. Furthermore, the obtained results can be validated by using previous linear and nonlinear analyses after removing the effect of foundation.
Functionally graded material (FGM) plates can be bonded to the soffit of a beam as a means of retrofitting the RC beam. In such plated beams, tensile forces develop in the bonded plate and these have to be transferred to the original beam via interfacial shear and normal stresses. In this paper, an interfacial stress analysis is presented for simply supported concrete beam bonded with a functionally graded material FGM plate. This new solution is intended for application to beams made of all kinds of materials bonded with a thin plate, while all existing solutions have been developed focusing on the strengthening of reinforced concrete beams, which allowed the omission of certain terms. It is shown that both the normal and shear stresses at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite beam. This research is helpful for the understanding on mechanical behavior of the interface and design of the FGM-RC hybrid structures.
This paper uses the four-variable refined plate theory for the free vibration analysis of functionally graded material (FGM) rectangular plates. The plate properties are assumed to be varied through the thickness following a simple power law distribution in terms of volume fraction of material constituents. The theory presented is variationally consistent, does not require shear correction factor, and gives rise to transverse shear stress variation such that the transverse shear stresses vary parabolically across the thickness satisfying shear stress free surface conditions. Equations of motion are derived from the Hamilton's principle. The closed-form solutions of functionally graded plates are obtained using Navier solution. Numerical results of the refined plate theory are presented to show the effect of the material distribution, the aspect and side-to-thickness ratio on the fundamental frequencies. It can be concluded that the proposed theory is accurate and simple in solving the free vibration behavior of functionally graded plates.
Bouderba, Bachir;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.58
no.3
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pp.397-422
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2016
In the present work, a simple first-order shear deformation theory is developed and validated for a variety of numerical examples of the thermal buckling response of functionally graded sandwich plates with various boundary conditions. Contrary to the conventional first-order shear deformation theory, the present first-order shear deformation theory involves only four unknowns and has strong similarities with the classical plate theory in many aspects such as governing equations of motion, and stress resultant expressions. Material properties and thermal expansion coefficient of the sandwich plate faces are assumed to be graded in the thickness direction according to a simple power-law distribution 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 considered as uniform, linear and non-linear temperature rises within the thickness direction. The results reveal that the volume fraction index, loading type and functionally graded layers thickness have significant influence on the thermal buckling of functionally graded sandwich plates. Moreover, numerical results prove that the present simple first-order shear deformation theory can achieve the same accuracy of the existing conventional first-order shear deformation theory which has more number of unknowns.
Hamidi, Ahmed;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Mahmoud, S.R.;Tounsi, Abdelouahed
Steel and Composite Structures
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v.18
no.1
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pp.235-253
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2015
In this research, a simple but accurate sinusoidal plate theory for the thermomechanical bending analysis of functionally graded sandwich plates is presented. The main advantage of this approach is that, in addition to incorporating the thickness stretching effect, it deals with only 5 unknowns as the first order shear deformation theory (FSDT), instead of 6 as in the well-known conventional sinusoidal plate theory (SPT). The material properties of the sandwich plate faces are assumed to vary according to a power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The core layer is made of an isotropic ceramic material. Comparison studies are performed to check the validity of the present results from which it can be concluded that the proposed theory is accurate and efficient in predicting the thermomechanical behavior of functionally graded sandwich plates. The effect of side-to-thickness ratio, aspect ratio, the volume fraction exponent, and the loading conditions on the thermomechanical response of functionally graded sandwich plates is also investigated and discussed.
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