During the manufacture of FGM plates, defects such as porosities can appear. Those can change the entire behavior of these plates. This paper aims to investigate the free vibration characteristics of porous functionally graded (FG) plates resting on elastic foundations. The Young's modulus of the plate is assumed to vary continuously through the thickness according to a power-law formulation, and the Poisson ratio is held constant. Different types of porosity distribution rates are considered. To examine the accuracy of the present formulation, several comparison studies are investigated. Effects of variation of porosity distribution rate, foundation parameter, power-law index and thickness ratio on the fundamental frequency of plates have been investigated.
Pankaj S. Ghatage;P. Edwin Sudhagar;Vishesh R. Kar
Geomechanics and Engineering
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v.35
no.4
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pp.367-383
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2023
The present paper examines the natural frequency responses of the bi-directional (nx-ny, ny-nz and nz-nx) and multidirectional (nx-ny-nz) functionally graded (FG) plate and curved structures with and without porosity. The even and uneven kind of porosity pattern are considered to observe the influence of porosity type and porosity index. The numerical findings have been obtained using a higher order shear deformation theory (HSDT) based isometric finite element (FE) approach generated in a MATLAB platform. According to the convergence and validation investigation, the proposed HSDT based FE model is adequate to predict free vibrational responses of multidirectional porous FG plates and curved structures. Further a parametric analysis is carried out by taking various design parameters into account. The free vibrational behavior of bidirectional (2D) and multidirectional (3D) perfect-imperfect FGM structure is examined against various power law index, support conditions, aspect, and thickness ratio, and for the curvature of curved structures. The results indicate that the maximum non-dimensional fundamental frequency (NFF) value is observed in perfect FGM plates and curved structures compared to porous FGM plates and curved structures and it is maximum for FGM plates and curved structures with uneven kind of porosity than even porosity.
This paper deals with free vibration of FG sandwich annular sector plates on Pasternak elastic foundation with different boundary conditions, based on the three-dimensional theory of elasticity. The plates with simply supported radial edges and arbitrary boundary conditions on their circular edges are considered. The influence of carbon nanotubes (CNTs) waviness, aspect ratio, internal pores and graphene platelets (GPLs) on the vibrational behavior of functionally graded nanocomposite sandwich plates is investigated in this research work. The distributions of CNTs are considered functionally graded (FG) or uniform along the thickness of upper and bottom layers of the sandwich sectorial plates and their mechanical properties are estimated by an extended rule of mixture. In this study, the classical theory concerning the mechanical efficiency of a matrix embedding finite length fibers has been modified by introducing the tube-to-tube random contact, which explicitly accounts for the progressive reduction of the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The core of structure is porous and the internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix of core either uniformly or non-uniformly according to three different patterns. The elastic properties of the nanocomposite are obtained by employing Halpin-Tsai micromechanics model. A semi-analytic approach composed of 2D-Generalized Differential Quadrature Method (2D-GDQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. Some new results for the natural frequencies of the plate are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
Bennai, Riadh;Atmane, Hassen Ait;Ayache, Belqassim;Tounsi, Abdelouahed;Bedia, E.A. Adda;Al-Osta, Mohammed A.
Earthquakes and Structures
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v.16
no.5
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pp.547-561
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2019
In this work, a new analytical approach using a theory of a high order hyperbolic shear deformation theory (HSDT) has been developed to study the free vibration of plates of functionally graduated material (FGM). This theory takes into account the effect of stretching the thickness. In contrast to other conventional shear deformation theories, the present work includes a new displacement field that introduces indeterminate integral variables. During the manufacturing process of these plates defects can appear as porosity. The latter can question and modify the global behavior of such plates. The materials constituting the plate are assumed to be gradually variable in the direction of height according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The motion equations are derived by the Hamilton principle. Analytical solutions for free vibration analysis are obtained for simply supported plates. The effects of stretching, the porosity parameter, the power law index and the length / thickness ratio on the fundamental frequencies of the FGM plates are studied in detail.
A four-variable shear deformation refined plate theory has been proposed for dynamic characteristics of smart plates made of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) materials with various boundary conditions by using an analytical method. Magneto-electro-elastic properties of FGM plate are supposed to vary through the thickness direction and are estimated through the modified power-law rule in which the porosities with even and uneven type are approximated. Pores possibly occur inside functionally graded materials (FGMs) due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. The variation of pores along the thickness direction influences the mechanical properties. The governing differential equations and boundary conditions of embedded porous FGM plate under magneto-electrical field are derived through Hamilton's principle based on a four-variable tangential-exponential refined theory which avoids the use of shear correction factors. An analytical solution procedure is used to achieve the natural frequencies of embedded porous FG plate supposed to magneto-electrical field with various boundary condition. A parametric study is led to carry out the effects of material graduation exponent, coefficient of porosity, magnetic potential, electric voltage, elastic foundation parameters, various boundary conditions and plate side-to-thickness ratio on natural frequencies of the porous MEE-FG plate. It is concluded that these parameters play significant roles on the dynamic behavior of porous MEE-FG plates. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG plates with porosity phases.
This work presents a comparison between analytical and finite element analysis for bending of porous sandwich functionally graded material (FGM) plates. The plate is rectangular and simply supported under static sinusoidal loading. Material properties of FGM are assumed to vary continuously across the face sheets thickness according to a power-law function in terms of the volume fractions of the constituents while the core is homogeneous. Four types of porosity are considered. A refined higher-order shear with normal deformation theory is used. The number of unknowns in this theory is five, as against six or more in other shear and normal deformation theories. This theory assumes the nonlinear variation of transverse shear stresses and satisfies its nullity in the top and bottom surfaces of the plate without the use of a shear correction factor. The governing equations of equilibrium are derived from the virtual work principle. The Navier approach is used to solve equilibrium equations. The constitutive law of the porous FGM sandwich plate is implemented for a 3D finite element through a subroutine in FORTRAN (UMAT) in Abaqus software. Results show good agreement between the finite element model and the analytical method for some results, but the analytical method keeps giving symmetric results even with the thickness stretching effect and load applied to the top surface of the sandwich.
Bending and buckling analysis of multi-directional porous functionally graded sandwich plate has been performed for two cases namely: FG skin with homogeneous core and FG core with homogeneous skin. The principle of virtual displacements was employed and the solution was obtained using Navier's technique. This theory imposes traction-free boundary conditions on the surfaces and does not require shear correction factors. The validation of the present study has been performed with those available in the literature. The composition of metal-ceramic-based FGM changes in longitudinal and transverse directions according to the power law. Different porosity laws, such as uniform distribution, unevenly and logarithmically uneven distributions were used to mimic the imperfections in the functionally graded material that were introduced during the fabrication process. Several sandwich plates schemes were studied based on the plate's symmetry and the thickness of each layer. The effects of grading parameters and porosity laws on the bending and buckling of sandwich plates were examined.
The main purpose of this research work is to investigate the critical buckling load of functionally graded (FG) porous plates with graphene platelets (GPLs) reinforcement using generalized differential quadrature (GDQ) method at thermal condition. It is supposed that the GPL nanofillers and the porosity coefficient vary continuously along the plate thickness direction. Generally, the thermal distribution is considered to be nonlinear and the temperature changing continuously through the thickness of the nanocomposite plates according to the power-law distribution. To model closed cell FG porous material reinforced with GPLs, Halpin-Tsai micromechanical modeling in conjunction with Gaussian-Random field scheme are used, through which mechanical properties of the structures can be extracted. Based on the third order shear deformation theory (TSDT) and the Hamilton's principle, the equations of motion are established and solved for various boundary conditions (B.Cs). The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples and validity of the present study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature. A special attention is drawn to the role of GPLs weight fraction, GPLs patterns through the thickness, porosity coefficient and distribution of porosity on critical buckling load. Results reveal that the importance of thermal condition on of the critical load of FGP-GPL reinforced nanocomposite plates.
Batou, Belaid;Nebab, Mokhtar;Bennai, Riadh;Atmane, Hassen Ait;Tounsi, Abdeldjebbar;Bouremana, Mohammed
Steel and Composite Structures
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v.33
no.5
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pp.699-716
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2019
In this paper, wave propagations in sigmoid functionally graded (S-FG) plates are studied using new Higher Shear Deformation Theory (HSDT) based on two-dimensional (2D) elasticity theory. The current higher order theory has only four unknowns, which mean that few numbers of unknowns, compared with first shear deformations and others higher shear deformations theories and without needing shear corrector. The material properties of sigmoid functionally graded are assumed to vary through thickness according sigmoid model. The S-FG plates are supposed to be imperfect, which means that they have a porous distribution (even and uneven) through the thickness of these plates. The governing equations of S-FG plates are derived employed Hamilton's principle. Using technique of Navier, differential equations of S-FG in terms displacements are solved. Extensive results are presented to check the efficient of present methods to predict wave dispersion and velocity wave in S-FG plates.
Hadji, Lazreg;Fallah, Ali;Aghdam, Mohammad Mohammadi
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.2
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pp.151-161
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2022
In this study, the effect of porosity distribution pattern on the free vibration analysis of porous FG plates with various boundary conditions is studied. The material properties of the plate and the porosities within the plate are considered to vary continuously through the thickness direction according to the volume fraction of constituents defined by the modified rule of the mixture, this includes porosity volume fraction with four different types of porosity distribution over the cross-section. The governing partial differential equation of motion for the free vibration analysis is obtained using hyperbolic shear deformation theory. An analytical solution is presented for the governing PDEs for various boundary conditions. Results of the presented solution are compared and validated by the available results in the literature. Moreover, the effects of material and porosity distribution and geometrical parameters on vibrational properties are investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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