This study attempts to investigate the impact of thickness stretching and nonlinear hygro-thermo-mechanical loading on the bending behavior of FG beams. Young's modulus, thermal expansion, and moisture concentration coefficients vary gradually and continuously according to a power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituent materials. In addition, the interaction between the thermal, mechanical, and moisture loads is involved in the governing equilibrium equations. Using the present developed analytical model and Navier's solution technique, the numerical results of non-dimensional stresses and displacements are compared with those obtained by other 3D theories. Furthermore, the present analytical model is appropriate for investigating the static bending of FG beams exposed to intense hygro-thermo-mechanical loading used for special technical applications in aerospace, automobile, and civil engineering constructions.
Kar, Vishesh R.;Mahapatra, Trupti R.;Panda, Subrata K.
Steel and Composite Structures
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v.19
no.4
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pp.1011-1033
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2015
In this article, large amplitude bending behaviour of laminated composite flat panel under combined effect of moisture, temperature and mechanical loading is investigated. The laminated composite panel model has been developed mathematically by introducing the geometrical nonlinearity in Green-Lagrange sense in the framework of higher-order shear deformation theory. The present study includes the degraded composite material properties at elevated temperature and moisture concentration. In order to achieve any general case, all the nonlinear higher order terms have been included in the present formulation and the material property variations are introduced through the micromechanical model. The nonlinear governing equation is obtained using the variational principle and discretised using finite element steps. The convergence behaviour of the present numerical model has been checked. The present proposed model has been validated by comparing the responses with those available published results. Some new numerical examples have been solved to show the effect of various parameters on the bending behaviour of laminated composite flat panel under hygro-thermo-mechanical loading.
Yaghoobi, Hessameddin;Valipour, Mohammad Sadegh;Fereidoon, Abdolhossein;Khoshnevisrad, Pooria
Steel and Composite Structures
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v.17
no.5
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pp.753-776
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2014
In this paper, nonlinear vibration and post-buckling analysis of beams made of functionally graded materials (FGMs) resting on nonlinear elastic foundation subjected to thermo-mechanical loading are studied. The thermo-mechanical material properties of the beams 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, and to be temperature-dependent. The assumption of a small strain, moderate deformation is used. Based on Euler-Bernoulli beam theory and von-Karman geometric nonlinearity, the integral partial differential equation of motion is derived. Then this PDE problem which has quadratic and cubic nonlinearities is simplified into an ODE problem by using the Galerkin method. Finally, the governing equation is solved analytically using the variational iteration method (VIM). Some new results for the nonlinear natural frequencies and buckling load of the FG beams such as the influences of thermal effect, the effect of vibration amplitude, elastic coefficients of foundation, axial force, end supports and material inhomogenity are presented for future references. Results show that the thermal loading has a significant effect on the vibration and post-buckling response of FG beams.
Mahmoud, Fatin F.;El-Shafei, Ahmed G.;Attia, Mohamed A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.47
no.1
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pp.27-44
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2013
A finite element computational procedure for the accurate analysis of quasistatic thermorheological complex structures response is developed. The geometrical nonlinearity, arising from large displacements and rotations (but small strains), is accounted for by the total Lagrangian description of motion. The Schapery's nonlinear single-integral viscoelastic constitutive model is modified for a time-stress-temperature-dependent behavior. The nonlinear thermo-viscoelastic constitutive equations are incrementalized leading to a recursive relationship and thereby the resulting finite element equations necessitate data storage from the previous time step only, and not the entire deformation history. The Newton-Raphson iterative scheme is employed to obtain a converged solution for the non-linear finite element equations. The developed numerical model is verified with the previously published works and a good agreement with them is found. The applicability of the developed model is demonstrated by analyzing two examples with different thermal/mechanical loading histories.
Belbachir, Nasrine;Draich, Kada;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Bourada, Mohamed;Tounsi, Abdelouahed;Mohammadimehr, M.
Steel and Composite Structures
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v.33
no.1
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pp.81-92
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2019
The present paper addresses a refined plate theoryin order to describe the response of anti-symmetric cross-ply laminated plates subjected to a uniformlydistributed nonlinear thermo-mechanical loading. In the present theory, the undetermined integral terms are used and the variables number is reduced to four instead of five or more in other higher-order theories. The boundary conditions on the top and the bottom surfaces of the plate are satisfied; hence the use of the transverse shear correction factors isavoided. The principle of virtual work is used to obtain governing equations and boundary conditions. Navier solution for simply supported plates is used to derive analytical solutions. For the validation of the present theory, numerical results for displacements and stressesare compared with those of classical, first-order, higher-order and trigonometricshear theories reported in the literature.
This research concentrates on the effects of distributions and volume fractions of carbon nanotubes (CNT) on the nonlinear bending behavior of deep cylindrical panels reinforced by functionally graded carbon nanotubes under thermo-mechanical loading, hitherto not reported in the literature. Assuming the effects of shear deformation and moderately high value of the radius-to-side ratio (R/a), based on the first-order shear deformation theory (FSDT) and von Karman type of geometric nonlinearity, the governing system of equations is obtained. The analytical solution of field equations is carried out using the Ritz method together with the Newton-Raphson iterative scheme. The effects of radius-to-side ratio, temperature change, and boundary conditions on the nonlinear response of the functionally graded carbon nanotubes reinforced composite deep cylindrical panel (FG-CNTRC) are investigated. It is concluded that, among the five possible distribution patterns of CNT, FG-V CNTRC deep cylindrical panel is strongest with the highest bending moment and followed by UD, X, O, and Ʌ-ones. Also, considering the present deep cylindrical panel formulation increases the accuracy of the results. Hence, according to the noticeable amount of R/a in FG-CNTRC cylindrical panels, it is mandatory to apply strain-displacement relations of deep cylindrical panels for bending analysis of FG-CNTRC which certainly is desirable for industrial application.
Surmiri, Azam;Nayebi, Ali;Rokhgireh, Hojjatollah;Varvani-Farahani, Ahmad
Structural Engineering and Mechanics
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v.75
no.1
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pp.101-108
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2020
The present study intends to analyze damage in thin-walled steel cylinders undergoing constant internal pressure and thermal cycles through use of anisotropic continuum damage mechanics (CDM) model coupled with nonlinear kinematic hardening rule of Chaboche. Materials damage in each direction was defined based on plastic strain and its direction. Stress and strain distribution over wall-thickness was described based on the CDM model and the return mapping algorithm was employed based on the consistency condition. Plastic zone expansion across the wall thickness of cylinders was noticeably affected with change in internal pressure and temperature gradients. Expansion of plastic zone over wall-thickness at inner and outer surfaces and their boundaries demarking elastic and plastic regions was attributed to the magnitude of damage induced over thermomechanical cycles on the thin-walled samples tested at various pressure stresses.
Thermo-mechanical buckling problem of functionally graded (FG) nanoplates supported by Pasternak elastic foundation subjected to linearly/non-linearly varying loadings is analyzed via the nonlocal elasticity theory. Two opposite edges of the nanoplate are subjected to the linear and nonlinear varying normal stresses. Elastic properties of nanoplate change in spatial coordinate based on a power-law form. Eringen's nonlocal elasticity theory is exploited to describe the size dependency of nanoplate. The equations of motion for an embedded FG nanoplate are derived by using Hamilton principle and Eringen's nonlocal elasticity theory. Navier's method is presented to explore the influences of elastic foundation parameters, various thermal environments, small scale parameter, material composition and the plate geometrical parameters on buckling characteristics of the FG nanoplate. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling can provide accurate results of the FG nanoplates as compared some cases in the literature. Numerical examples show that the buckling characteristics of the FG nanoplate are related to the material composition, temperature distribution, elastic foundation parameters, nonlocality effects and the different loading conditions.
Ismail M. Mudhaffar;Abdelbaki Chikh;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta;Mesfer M. Al-Zahrani;Salah U. Al-Dulaijan
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.2
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pp.167-180
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2023
This work applies a four-known quasi-3D shear deformation theory to investigate the bending behavior of a functionally graded plate resting on a viscoelastic foundation and subjected to hygro-thermo-mechanical loading. The theory utilizes a hyperbolic shape function to predict the transverse shear stress, and the transverse stretching effect of the plate is considered. The principle of virtual displacement is applied to obtain the governing differential equations, and the Navier method, which comprises an exponential term, is used to obtain the solution. Novel to the current study, the impact of the viscoelastic foundation model, which includes a time-dependent viscosity parameter in addition to Winkler's and Pasternak parameters, is carefully investigated. Numerical examples are presented to validate the theory. A parametric study is conducted to study the effect of the damping coefficient, the linear and nonlinear loadings, the power-law index, and the plate width-tothickness ratio on the plate bending response. The results show that the presence of the viscoelastic foundation causes an 18% decrease in the plate deflection and about a 10% increase in transverse shear stresses under both linear and nonlinear loading conditions. Additionally, nonlinear loading causes a one-and-a-half times increase in horizontal stresses and a nearly two-times increase in normal transverse stresses compared to linear loading. Based on the article's findings, it can be concluded that the viscosity effect plays a significant role in the bending response of plates in hygrothermal environments. Hence it shall be considered in the design.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.5
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pp.535-541
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2010
In this paper, we have derived a continuum-based adjoint design sensitivity of general performance functionals with respect to Young' modulus and heat conduction coefficient for steady-state nonlinear thermoelastic problems. An adjoint equation for temperature and displacement fields is defined for the efficient computation of the coupled field design sensitivity. Through numerical examples, we investigated the mesh dependency of the topology optimization method in the thermoelastic problems. Also, comparing the dominant loading cases of thermal and mechanical ones, the loading dependency of topology design optimization in coupled multi-physics problems is investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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