In this paper, a new displacement based high-order shear deformation theory is introduced for the static response of functionally graded sandwich plate with new definition of porosity distribution taking into account composition and the scheme of the sandwich plate. Unlike any other theory, the number of unknown functions involved is only four, as against five in case of other shear deformation theories. The theory presented is variationally consistent, has strong similarity with classical plate theory in many aspects, 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. Material properties of FGM layers are assumed to vary continuously across the plate thickness according to either power-law or sigmoid function in terms of the volume fractions of the constituents. The face layers are considered to be FG across each face thickness while the core is made of a ceramic homogeneous layer. Governing equations are derived from the principle of virtual displacements. The closed-form solution of a simply supported rectangular plate subjected to sinusoidal loading has been obtained by using the Navier method. Numerical results are presented to show the effect of the material distribution, the sandwich plate geometry and the porosity on the deflections and stresses of FG sandwich plates. The validity of the present theory is investigated by comparing some of the present results with other published results.
In this paper, reaction of functionally graded (FG) thick nanoplates resting on a viscoelastic foundation to a moving nanoparticle/load is investigated. Nanoplate is assumed to be thick by using second order shear deformation theory and small-scale effects are taken into account in the framework of Eringen's nonlocal theory. Material properties are varied through the thickness using FG models by having power-law, sigmoid and exponential functions for material changes. FG nanoplate is assumed to be on a viscoelastic medium which is modeled using Kelvin-Voight viscoelastic model. Galerkin, state space and fourth-order Runge-Kutta methods are employed to solve the governing equations. A comprehensive parametric study is presetned to show the influence of different parameters on mechanical behavior of the system. It is shown that material variation in conjunction with nonlocal term have a significant effect on the dynamic deformation of nanoplate which could be used in comprehending and designing more efficient nanostructures. Moreover, it is shown that having a viscoelastic medium could play an important role in decreasing these dynamic deformations. With respect to the fresh studies on moving atoms, molecules, cells, nanocars, nanotrims and point loads on different nanosctructures using scanning tunneling microscopes (STM) and atomic force microscopes (AFM), this study could be a step forward in understanding, predicting and controlling such kind of behaviors by showing the influence of the moving path, velocity etc. on dynamic reaction of the plate.
Abdelhak, Zohra;Hadji, Lazreg;Daouadji, T. Hassaine;Adda Bedia, E.A.
Smart Structures and Systems
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v.18
no.2
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pp.267-291
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2016
In this research work, an exact analytical solution for thermal buckling analysis of functionally graded material (FGM) sandwich plates with clamped boundary condition subjected to uniform, linear, and non-linear temperature rises across the thickness direction is developed. Unlike any other theory, the number of unknown functions involved is only four, as against five in case of other shear deformation theories. The theory accounts for parabolic distribution of the transverse shear strains, and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the plate without using shear correction factor. A power law distribution is used to describe the variation of volume fraction of material compositions. Equilibrium and stability equations are derived based on the present refined theory. The non-linear governing equations are solved for plates subjected to simply supported and clamped boundary conditions. The thermal loads are assumed to be uniform, linear and non-linear distribution through-the-thickness. The effects of aspect and thickness ratios, gradient index, on the critical buckling are all discussed.
Kolahchi, Reza;Bidgoli, Ali Mohammad Moniri;Heydari, Mohammad Mehdi
Structural Engineering and Mechanics
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v.55
no.5
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pp.1001-1014
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2015
Bending analysis of functionally graded (FG) nano-plates is investigated in the present work based on a new sinusoidal shear deformation theory. The theory accounts for sinusoidal distribution of transverse shear stress, and satisfies the free transverse shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factor. The material properties of nano-plate are assumed to vary according to power law distribution of the volume fraction of the constituents. The size effects are considered based on Eringen's nonlocal theory. Governing equations are derived using energy method and Hamilton's principle. The closed-form solutions of simply supported nano-plates are obtained and the results are compared with those of first-order shear deformation theory and higher-order shear deformation theory. The effects of different parameters such as nano-plate length and thickness, elastic foundation, orientation of foundation orthtotropy direction and nonlocal parameters are shown in dimensionless displacement of system. It can be found that with increasing nonlocal parameter, the dimensionless displacement of nano-plate increases.
On the basis of nonlocal strain gradient theory, considering the material properties of porous FGM changing with thickness and the influence of moment of inertia, the wave equation of FG nano circular plate is derived by using the first-order shear deformation plate theory, by introducing dimensionless parameters, we transform the equations into dimensionless wave equations, and the dispersion relations of bending wave, shear wave and longitudinal wave are obtained by Laplace and Hankel integral transformation method. The influence of nonlocal parameter, porosity volume fraction, strain gradient parameters and power law index on the propagation characteristics of bending wave, shear wave and longitudinal wave in FG nano circular plate.
In this paper, a new semi-analytical solution for estimating the pull-in parameters of electrically actuated functionally graded (FG) nanobeams is proposed. All the bulk and surface material properties of the FG nanoactuator vary continuously in thickness direction according to power law distribution. Here, the modified couple stress theory (MCST) and Gurtin-Murdoch surface elasticity theory (SET) are jointly employed to capture the size effects of the nanoscale beam in the context of Euler-Bernoulli beam theory. According to the MCST and SET and accounting for the mid-plane stretching, axial residual stress, electrostatic actuation, fringing field, and dispersion (Casimir or/and van der Waals) forces, the nonlinear nonclassical equation of motion and boundary conditions are obtained derived using Hamilton principle. The proposed semi-analytical solution is derived by employing Galerkin method in conjunction with the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The proposed solution approach is validated with the available literature. The freestanding behavior of nanoactuators is also investigated. A parametric study is conducted to illustrate the effects of different material and geometrical parameters on the pull-in response of cantilever and doubly-clamped FG nanoactuators. This model and proposed solution are helpful especially in mechanical design of micro/nanoactuators made of FGMs.
Hadji, Lazreg;Meziane, M. Ait Amar;Abdelhak, Z.;Daouadji, T. Hassaine;Bedia, E.A Adda
Structural Engineering and Mechanics
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v.57
no.1
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pp.127-140
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2016
In this paper, a new first shear deformation plate theory based on neutral surface position is developed for the static and the free vibration analysis of functionally graded plates (FGPs). Moreover, the number of unknowns of this theory is the least one comparing with the traditional first-order and the other higher order shear deformation theories. The neutral surface position for a functionally graded plate which its material properties vary in the thickness direction is determined. The mechanical properties of the plate are assumed to vary continuously in the thickness direction by a simple power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. Based on the present shear deformation plate theory and the neutral surface concept, the governing equations are derived from the principle of Hamilton. There is no stretching-bending coupling effect in the neutral surface based formulation. Numerical illustrations concern flexural and dynamic behavior of FG plates with Metal-Ceramic composition. Parametric studies are performed for varying ceramic volume fraction, length to thickness ratios. The accuracy of the present solutions is verified by comparing the obtained results with the existing solutions.
Since conical sandwich shells are important structures in the modern industries, in this paper, for the first time, vibration behavior of the truncated conical sandwich shells which include temperature dependent porous FG face sheets and temperature dependent homogeneous core in various thermal conditions are investigated. A high order theory of sandwich shells which modified by considering the flexibility of the core and nonlinear von Karman strains are utilized. Power law rule which modified by considering the two types of porosity volume fractions are applied to model the functionally graded materials. By utilizing the Hamilton's energy principle, and considering the in-plane and thermal stresses in the face-sheets and the core, the governing equations are obtained. A Galerkin procedure is used to solve the equations in a simply supported boundary condition. Uniform, linear and nonlinear temperature distributions are used to model the effect of the temperature changing in the sandwich shell. To verify the results of this study, they are compared with FEM results obtained by Abaqus software and for special cases with the results in literatures. Eigen frequencies variations are surveyed versus the temperature changing, geometrical effects, porosity, and some others in the numerical examples.
In this research, the dynamic stability and nonlinear vibration behavior of a smart rotating sandwich cylindrical shell is studied. The core of the structure is a functionally graded material (FGM) which is integrated by functionally graded piezoelectric material (FGPM) layers subjected to electric field. The piezoelectric layers at the inner and outer surfaces used as actuator and sensor, respectively. By applying the energy method and Hamilton's principle, the governing equations of sandwich cylindrical shell derived based on first-order shear deformation theory (FSDT). The Galerkin method is used to discriminate the motion equations and the equations are converted to the form of the ordinary differential equations in terms of time. The perturbation method is employed to find the relation between nonlinear frequency and the amplitude of vibration. The main objective of this research is to determine the nonlinear frequencies and nonlinear vibration control by using sensor and actuator layers. The effects of geometrical parameters, power law index of core, sensor and actuator layers, angular velocity and scale transformation parameter on nonlinear frequency-amplitude response diagram and dynamic stability of sandwich cylindrical shell are investigated. The results of this research can be used to design and vibration control of rotating systems in various industries such as aircraft, biomechanics and automobile manufacturing.
Ahmed Amine Daikh;Amin Hamdi;Hani M. Ahmed;Mohamed S. Abdelwahed;Alaa A. Abdelrahman;Mohamed A. Eltaher
Advances in nano research
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v.15
no.2
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pp.113-128
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2023
The advancement of theoretical research has numerous challenges, particularly with regard to the modeling of structures, in contrast to experimental investigation of the mechanical behavior of complex systems. The main objective of this investigation is to provide an analytical analysis of the static problem of a new generation of composite structure, namely, functionally graded FG graphene reinforced composite GRC coated plates/shells. A complex power law function is used to define the material's graduation. Investigations are conducted on Hardcore and Softcore coated FG plates/shells. The virtual work approach is used to perform the equilibrium equations, which are then solved using the Galerkin technique to account for various boundary conditions. With reliable published articles, the presented solution is validated. The effects of hardcore and softcore distributions, gradation indexes, and boundary conditions on the buckling, bending deflection and stresses of FG GRC-coated shells are presented in detail. Obtained results and the developed procedure are supportive for design and manufacturing of FG-GRC coated plates/shells in several fields and industries e.g., aerospace, automotive, marine, and biomedical implants.
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