The main objective of this paper is to compute the far-field acoustic radiation (sound radiation) of functionally graded plates (FGM) loaded by sinusoidally varying point load subjected to the arbitrary boundary condition is carried out. The governing differential equations for thin functionally graded plates (FGM) are derived using classical plate theory (CPT) and Rayleigh integral using the elemental radiator approach. Four cases, segregated on power-law index k=0,1,5,10, are studied. A novel approach is illustrated to compute sound fields of vibrating FGM plates using the physical neutral surface with an elemental radiator approach. The material properties of the FGM plate for all cases are calculated considering the power law indexes. An in-house MATLAB code is written to compute the natural frequencies, normal surface velocities, and sound radiation fields are analytically calculated using semi-analytical formulation. Ansys is used to validate the computed sound power level. The parametric effects of the power law index, modulus ratios, different constituent of FGM plates, boundary conditions, damping loss factor on the sound power level, and radiation efficiency is illustrated. This work is the benchmark approach that clearly explains how to calculate acoustic fields using a solid layered FGM model in ANSYS ACT. It shows that it is possible to asymptotically stabilize the structure by controlling the intermittent layers' stiffness. It is found that sound fields radiated by the elemental radiators approach in MATLAB, ANSYS and literatures are in good agreement. The main novelty of this research is that the FGM plate is analyzed in the low-frequency range, where the stiffness-controlled region governs the whole analysis. It is concluded that a clamped mono-ceramic FGM plate radiates a lesser sound power level and higher radiation efficiency than a mono-metallic or metal-rich FGM plate due to higher stiffness. It is found that change in damping loss factor does not affect the same constituents of FGM plates but has significant effects on the different constituents of FGM plates.
In the present work, free vibration of beams made of imperfect functionally graded materials (FGMs) including porosities is investigated. Because of faults during process of manufacture, micro voids or porosities may arise in the FGMs, and this situation causes imperfection in the structure. Therefore, material properties of the beams are assumed to vary continuously through the thickness direction according to the volume fraction of constituents described with the modified rule of mixture including porosity volume fraction which covers two types of porosity distribution over the cross section, i.e., even and uneven distributions. The governing equations of power law FGM (P-FGM) and sigmoid law FGM (S-FGM) beams are derived within the frame works of classical beam theory (CBT) and first order shear deformation beam theory (FSDBT). The resulting equations are solved using separation of variables technique and assuming FG beams are simply supported at both ends. To validate the results numerous comparisons are carried out with available results of open literature. The effects of types of volume fraction function, beam theory and porosity volume fraction, as well as the variations of volume fraction index, span to depth ratio and porosity volume fraction, on the first three non-dimensional frequencies are examined in detail.
Aman Garg;Neeraj Kumar Shukla;M.Ramkumar Raja;Hanuman D. Chalak;Mohamed-Ouejdi Belarbi;Abdelouahed Tounsi;Li Li;A.M. Zenkour
Steel and Composite Structures
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v.49
no.5
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pp.547-570
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2023
In the present work, a comparative study has been carried out between power, exponential, and sigmoidal sandwich FGM plates for free vibration conditions under hygro-thermal conditions. Rules of mixture is used to determine effective material properties across the thickness for power-law and sigmoid sandwich FGM plates. Exponential law is used to plot effective material properties for exponentially graded sandwich FGM plates. Temperature and moisture dependent material properties were used during the analysis. Free vibration analysis is carried out using recently proposed finite element based HOZT. Present formulation satisfies interlayer transverse stress continuity conditions at interfaces and transverse shear stress-free conditions at the plate's top and bottom surfaces. The present model is free from any penalty or post-processing requirements. Several new results are reported in the present work, especially for unsymmetric sandwich FGM plates and exponential and sigmoidal sandwich FGM plates.
Broad writing on the examination of sandwich structures mirrors the significance of incorporating thermal loadings during their investigation stage. In the current work, an endeavor has been made to concentrate on sandwich FGM beams' bending behaving under thermal loadings utilizing shear deformation theory. Temperature-dependent material properties are used during the analysis. The formulation includes the transverse displacement field, which helps better predict the behavior of thick FGM beams. Three-different thermal profiles across the thickness of the beam are assumed during the analysis. The study has been carried out on both symmetric and unsymmetric sandwich FGM beams. It has been observed that the bending behavior of sandwich FGM beams is impacted by the temperature profile to which it is subjected. Power-law exponent and thickness of core also affect the behavior of the beam.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.439-445
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2003
In the recent years, functionally graded materials(FGM) have gained considerable attention in the high temperature environment applications. In the present work, study of the deflection and vibration of a functionally graded rectangular plate made of Ti-6Al-4V and Al$_2$O$_3$ is presented. Material properties are graded in the thickness direction of the plate according to volume fraction power law distribution Effects of volume fractions(power law exponent) on the deflection and natural frequency of FGM plate is studied. Also effects of temperature is studied. Wavier Solution is used to analyzed the FGM plate.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.553-561
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2015
The exponential and power law functionally graded material(FGM) theory is reformulated considering the refined shear and normal deformation theory. This theory has ability to capture the both normal deformation effect and exponential and power law function in terms of the volume fraction of the constituents for material properties through the plate thickness. Navier's method has been used to solve the governing equations for all edges simply supported plates on Pasternak elastic foundation. Numerical solutions of vibration analysis of FGM plates are presented using this theory to illustrate the effects of power law index and 3-D theory of exponential and power law function on natural frequency. The relations between 3-D and 2-D higher-order shear deformation theory are discussed by numerical results. Further, effects of (i) power law index, (ii) side-to-thickness ratio, and (iii) elastic foundation parameter on nondimensional natural frequency are studied. To validate the present solutions, the reference solutions are discussed.
Analytical solutions to problems are crucial because they provide high-quality comparison data for assessing the accuracy of numerical solutions. Benchmark analytical solutions for the vibrations of cracked functionally graded material (FGM) plates are not available in the literature because of the high level of complexity of such solutions. On the basis of first-order shear deformation plate theory (FSDT), this study proposes analytical series solutions for the vibrations of FGM rectangular plates with side or internal cracks parallel to an edge of the plates by using Fourier cosine series and the domain decomposition technique. The distributions of FGM properties along the thickness direction are assumed to follow a simple power law. The proposed analytical series solutions are validated by performing comprehensive convergence studies on the vibration frequencies of cracked square plates with various crack lengths and under various boundary condition combinations and by performing comparisons with published results based on various plate theories and the theory of three-dimensional elasticity. The results reveal that the proposed solutions are in excellent agreement with literature results obtained using the Ritz method on the basis of FSDT. The paper also presents tabulations of the first six nondimensional frequencies of cracked rectangular Al/Al2O3 FGM plates with various aspect ratios, thickness-to-width ratios, crack lengths, and FGM power law indices under six boundary condition combinations, the tabulated frequencies can serve as benchmark data for assessing the accuracy of numerical approaches based on FSDT.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.6
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pp.529-538
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2016
The simplified plate theory is presented for static and free vibration analysis of power-law(P) and sigmoid(S) Functionally Graded Materials(FGM) plates. This theory considers the parabolic distribution of the transverse shear stress, and satisfies the condition that requires the transverse shear stress to be zero on the upper and lower surfaces of the plate, without the shear correction factor. The simplified plate theory uses only four unknown variables and shares strong similarities with classical plate theory(CPT) in many aspects such as stress-resultant expressions, equation of motion and boundary conditions. The material properties of the plate are assumed to vary according to the power-law and sigmoid distributions of the volume fractions of the constituents. The Hamilton's principle is used to derive the equations of motion and Winkler-Pasternak elastic foundation model is employed. The results of static and dynamic responses for a simply supported FGM plate are calculated and a comparative analysis is carried out. The results of the comparative analysis with the solutions of references show relevant and accurate results for static and free vibration problems of FGM plates. Analytical solutions for the static and free vibration problems are presented so as to reveal the effects of the power law index, elastic foundation parameter, and side-to-thickness ratio.
In this article, the buckling and free vibration of multi-directional FGM sandwich plates are investigated. The material properties of FGM sandwich plates are assumed to be varying continuously in the in the longitudinal, transverse and thickness directions. The material properties are evaluated based on Voigt's micro-mechanical model considering power law distribution method with arbitrary power index. Equations of motion for the buckling and vibration analysis of multi-directional FGM sandwich plate are obtained based on refined shear deformation theory. Analytical solution for simply supported multidirectional FGM sandwich plate is carried out using Navier's solution technique. The FGM sandwich plate considered in this work has a homogeneous ceramic core and two functionally graded face sheets. Influence of volume fraction index in the longitudinal, transverse and thickness direction, layer thickness, and geometrical parameter over natural frequency and critical buckling load of multi-directional FGM sandwich plate is investigated. The finding shows a multi-directional functionally graded structures perform better compared to uni-directional gradation. Hence, critical grading parameters have been identified which will guide researchers in selecting fabrication routes for improving the performance of such structures.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.11a
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pp.66-69
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2005
Mechanical strength of functionally graded composite plates that composed of ceramic, functionally graded material and metal layers is investigated using 3-D finite element method. In FGM layer, material properties are assumed to be varied continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of a ceramic and metal. The 3-D finite element model is adopted by using an IS-node solid element to analyze more accurately the variation of material properties in the thickness direction. Numerical results are compared with those of the previous works. In addition, the displacements, the tensile stresses and the compressive stresses are analyzed for the variation of FGM thickness ratio and volume fraction distribution.Mechanical strength of functionally graded composite plates that composed of ceramic, functionally graded material and metal layers is investigated using 3-D finite element method. In FGM layer, material properties are assumed to be varied continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of a ceramic and metal. The 3-D finite element model is adopted by using an IS-node solid element to analyze more accurately the variation of material properties in the thickness direction. Numerical results are compared with those of the previous works. In addition, the displacements, the tensile stresses and the compressive stresses are analyzed for the variation of FGM thickness ratio and volume fraction distribution.
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