Studying the dynamic behavior of axially moving cylindrical shells in hygro-thermal environments has important theoretical and engineering value for aircraft design. Therefore, in this paper, considering hygro-thermal effect, the nonlinear forced vibration of an axially moving cylindrical shell made of functionally graded materials (FGM) is studied. It is assumed that the material properties vary continuously along the thickness and contain pores. The Donnell thin shell theory is used to derive the motion equations of FGM cylindrical shells with hygro-thermal loads. Under the four sides clamped (CCCC) boundary conditions, the Gallekin method and multi-scale method are used for nonlinear analysis. The effects of power law index, porosity coefficient, temperature rise, moisture concentration, axial velocity, prestress, damping and external excitation amplitude on nonlinear forced vibration are explored through parametric research. It can be found that, the changes in temperature and humidity have a significant effect. Increasing in temperature and humidity will cause the resonance position to shift to the left and increase the resonance amplitude.
Based upon differential quadrature method (DQM) and nonlocal strain gradient theory (NSGT), mechanical-hygro-thermal vibrational analyzes of shear deformable porous functionally graded (FG) nanoplate on visco-elastic medium has been performed. The presented formulation incorporates two scale factors for examining vibrational behaviors of nano-dimension plates more accurately. The material properties for FG plate are porosity-dependent and defined employing a modified power-law form. It is supposed that the nano-size plate is exposed to hygro-thermal and variable compressive mechanical loadings. The governing equations achieved by Hamilton's principle are solved implementing DQM. Presented results indicate the prominence of moisture/temperature variation, damping factor, material gradient index, nonlocal coefficient, strain gradient coefficient and porosities on vibrational frequencies of FG nano-size plate.
According to a generalized nonlocal strain gradient theory (NSGT), dynamic modeling and free vibrational analysis of nanoporous inhomogeneous nanoplates is presented. The present model incorporates two scale coefficients to examine vibration behavior of nanoplates much accurately. Porosity-dependent material properties of the nanoplate are defined via a modified power-law function. The nanoplate is resting on a viscoelastic substrate and is subjected to hygro-thermal environment and in-plane linearly varying mechanical loads. The governing equations and related classical and non-classical boundary conditions are derived based on Hamilton's principle. These equations are solved for hinged nanoplates via Galerkin's method. Obtained results show the importance of hygro-thermal loading, viscoelastic medium, in-plane bending load, gradient index, nonlocal parameter, strain gradient parameter and porosities on vibrational characteristics of size-dependent FG nanoplates.
The hygro-thermo-mechanical bending behavior of sigmoid functionally graded material (S-FGM) plate resting on variable two-parameter elastic foundations is discussed using a four-variable refined plate theory. The material characteristics are distributed within the thickness direction according to the two power law variation in terms of volume fractions of the constituents of the material. By employing a four variable refined plate model, both a trigonometric distribution of the transverse shear strains within the thickness and the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate are respected without utilizing shear correction factors. The number of independent variables of the current formulation is four, as against five in other shear deformation models. The governing equations are deduced based on the four-variable refined plate theory incorporating the external load and hygro-thermal influences. The results of this work are compared with those of other shear deformation models. Various numerical examples introducing the influence of power-law index, plate aspect ratio, temperature difference, elastic foundation parameters, and side-to-thickness ratio on the static behavior of S-FGM plates are investigated.
Binita Dash;Trupti R Mahapatra;Punyapriya Mishra;Debadutta Mishra
Structural Engineering and Mechanics
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제89권3호
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pp.265-281
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2024
The sound radiation responses of multi-layer composite plates subjected to harmonic mechanical excitation in hygrothermal environment is numerically investigated. A homogenized micromechanical finite element (FE) based on the higher-order mid-plane kinematics replicating quadratic function as well as the through the thickness stretching effect together with the indirect boundary element (IBE) scheme has been first time employed. The isoparametric Lagrangian element (ten degrees of freedom per node) is used for discretization to attain the hygro-thermo-elastic natural frequencies and the modes of the plate via Hamilton's principle. The effective material properties under combined hygrothermal loading are considered via a micromechanical model. An IBE method is then implemented to attain structure-surrounding coupling and the Helmholtz wave equation is solved to compute the sound radiation responses. The effectiveness of the model is tested by converging it with the similar analytical/numerical results as well as the experimentally acquired data. The present scheme is further hold out for solving diverse numerical illustrations. The results revealed the relevance of the current higher-order FE-IBE micromechanical model in realistic estimation of hygro-thermo-acoustic responses. The geometrical parameters, volume fraction of fiber, layup, and support conditions alongside the hygrothermal load is found to have significant influence on the vibroacoustic characteristics.
Laoufi, Imene;Ameur, Mohammed;Zidi, Mohamed;Bedia, El Abbes Adda;Bousahla, Abdelmoumen Anis
Steel and Composite Structures
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제20권4호
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pp.889-911
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2016
Using the hyperbolic shear deformation plate model and including plate-foundation interaction (Winkler and Pasternak model), an analytical method in order to determine the deflection and stress distributions in simply supported rectangular functionally graded plates (FGP) subjected to a sinusoidal load, a temperature and moisture fields. The present theory exactly satisfies stress boundary conditions on the top and the bottom of the plate. No transversal shear correction factors are needed because a correct representation of the transversal shearing strain is given. Materials properties of the plate (elastic, thermal and moisture expansion coefficients) 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. Numerical examples are presented and discussed for verifying the accuracy of the present theory in predicting the bending response of FGM plates under sinusoidal load and a temperature field as well as moisture concentration. The effects of material properties, temperature, moisture, plate aspect ratio, side-to-thickness ratio, ratio of elastic coefficients (ceramic-metal) and three distributions for both temperature and moisture on deflections and stresses are investigated.
Tounsi, Abdelouahed;Al-Dulaijan, S.U.;Al-Osta, Mohammed A.;Chikh, Abdelbaki;Al-Zahrani, M.M.;Sharif, Alfarabi;Tounsi, Abdeldjebbar
Steel and Composite Structures
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제34권4호
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pp.511-524
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2020
In this research, a simple four-variable trigonometric integral shear deformation model is proposed for the static behavior of advanced functionally graded (AFG) ceramic-metal plates supported by a two-parameter elastic foundation and subjected to a nonlinear hygro-thermo-mechanical load. The elastic properties, including both the thermal expansion and moisture coefficients of the plate, are also supposed to be varied within thickness direction by following a power law distribution in terms of volume fractions of the components of the material. The interest of the current theory is seen in its kinematics that use only four independent unknowns, while first-order plate theory and other higher-order plate theories require at least five unknowns. The "in-plane displacement field" of the proposed theory utilizes cosine functions in terms of thickness coordinates to calculate out-of-plane shear deformations. The vertical displacement includes flexural and shear components. The elastic foundation is introduced in mathematical modeling as a two-parameter Winkler-Pasternak foundation. The virtual displacement principle is applied to obtain the basic equations and a Navier solution technique is used to determine an analytical solution. The numerical results predicted by the proposed formulation are compared with results already published in the literature to demonstrate the accuracy and efficiency of the proposed theory. The influences of "moisture concentration", temperature, stiffness of foundation, shear deformation, geometric ratios and volume fraction variation on the mechanical behavior of AFG plates are examined and discussed in detail.
Lee Deog-Gyu;Woo Sun-Hee;Lee Eung-Shik;Youn Heong-Sik;Paik Hong-Yul
대한원격탐사학회:학술대회논문집
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대한원격탐사학회 2004년도 Proceedings of ISRS 2004
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pp.479-482
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2004
Laminate Design of a composite tube for a space telescope(Fig. 1) under hygrothermal load is studied. Carpet plots for laminate effective engineering constants are generated and used for selecting the best tube lay-ups satisfying the optomechanical requirements for a space telescope being dimensional1y stable under orbital thermal loading. Despace of the tubes constructed with the selected lay-ups are calculated with a Zig-Zag Triangular Element which accurately represents through thickness stress variations for laminated structures. The effects of moisture absorption when exposed to humidity environment and moisture desorption through outgassing on the dimensional stability are also investigated.
In this study the mechanical behaviors of fiber metal laminates (FML) such as ARALL, GLARE and CARE which are recently developed as new structural materials and known to have excellent fatigue resistant characteristics while with relatively low densities compared to the conventional aluminum materials, are considered through the classical lamination theory. The mechanical properties such as elastic moduli, thermal expansion coefficients and hygro-thermally induced residual stresses in the fiber metal laminates are obtained and compared each other. Also load carrying mechanism between metal sheets and composite layers in the FML are considered.
The aims of this study is to realize the structural design for development of a medium scale E-glass/epoxy composite wind turbine blade for a 750KW class horizontal axis wind turbine system. In this study, the various load cases specified by the IEC61400-1 international specification and GL Regulations for the wind energy conversion system were considered, and a specific composite structure configuration which can effectively endure various loads such as aerodynamic and centrifugal loads, loads due to accumulation of ice, hygro-thermal and mechanical loads was proposed. In order to evaluate the structure, the structural analysis for the composite wind turbine blade were peformed using tile finite element method(FEM). In the structural design, the acceptable blade structural configuration was determined through the parametric studies, and the most dominant design parameters were confirmed. In the stress analysis using the FEM, it was confirmed that the blade structure was safe and stable in any various load cases Moreover the safety of the blade root joint with insert bolts, newly devised in this study, was checked against the design fond and the fatigue.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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