Zhou, Linyun;Moradi, Zohre;Al-Tamimi, Haneen M.;Ali, H. Elhosiny
Steel and Composite Structures
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v.44
no.1
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pp.17-31
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2022
This investigation studies the characteristics of wave dispersion in sigmoid functionally graded (SFG) curved beams lying on an elastic substrate for the first time. Homogenization process was performed with the help of sigmoid function and two power laws. Moreover, various materials such as Zirconia, Alumina, Monel and Nickel steel were explored as curved beams materials. In addition, curved beams were rested on an elastic substrate which was modelled based on Winkler-Pasternak foundation. The SFG curved beams' governing equations were derived according to Euler-Bernoulli curved beam theory which is known as classic beam theory and Hamilton's principle. The resulted governing equations were solved via an analytical method. In order to validate the utilized method, the obtained outcomes were compared with other researches. Finally, the influences of various parameters, including wave number, opening angle, gradient index, Winkler coefficient and Pasternak coefficient were evaluated and indicated in the form of diagrams.
Several classical and higher order plate theories were used to study the buckling of functionally graded material (FGM) plates. In the great majority of research, a power function is used to represent metal and ceramic material transverse distribution (P-FGM). Therefore, the effect of having other transverse variation of material properties on the buckling behavior of thick rectangular FGM plates was not properly addressed. In the present work, this effect is investigated using the Third order Shear Deformable Theory (TSDT) for the case of simply supported FGM plate. Both a sigmoid function and an exponential functions are used to represent the transverse gradual property variation. The plate governing equations are combined with a Navier type expanded solution of the unknown displacements to derive the buckling equation in terms of the pre-buckling in-plane loads. Finally, the critical in-plane load is calculated for the different buckling modes. The model is verified by a comparison of the calculated buckling loads with available published results of Al-SiC P-FGM plates. The conducted parametric study shows that manufacturing FGM plates with sigmoid variation of properties in the thickness direction increases the buckling load considerably. This improvement is found to be more significant for the case of thick plates than that of thin plates. Results also show that this stiffening-like effect of the sigmoid function profile is more evident for cases where the in-plane loads are applied along the shorter edge of the plate.
This paper presents a theoretical investigation in free vibration of sigmoid functionally graded beams with variable cross-section by using Bernoulli-Euler beam theory. The mechanical properties are assumed to vary continuously through the thickness of the beam, and obey a two power law of the volume fraction of the constituents. Governing equation is reduced to an ordinary differential equation in spatial coordinate for a family of cross-section geometries with exponentially varying width. Analytical solutions of the vibration of the S-FGM beam are obtained for three different types of boundary conditions associated with simply supported, clamped and free ends. Results show that, all other parameters remaining the same, the natural frequencies of S-FGM beams are always proportional to those of homogeneous isotropic beams. Therefore, one can predict the behaviour of S-FGM beams knowing that of similar homogeneous beams.
Alazwari, Mashhour A.;Esen, Ismail;Abdelrahman, Alaa A.;Abdraboh, Azza M.;Eltaher, Mohamed A.
Advances in nano research
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v.12
no.3
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pp.231-251
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2022
Dynamic behavior of temperature-dependent Reddy functionally graded (RFG) nanobeam subjected to thermomagnetic effects under the action of moving point load is carried out in the present work. Both symmetric and sigmoid functionally graded material distributions throughout the beam thickness are considered. To consider the significance of strain-stress gradient field, a material length scale parameter (LSP) is introduced while the significance of nonlocal elastic stress field is considered by introducing a nonlocal parameter (NP). In the framework of the nonlocal strain gradient theory (NSGT), the dynamic equations of motion are derived through Hamilton's principle. Navier approach is employed to solve the resulting equations of motion of the functionally graded (FG) nanoscale beam. The developed model is verified and compared with the available previous results and good agreement is observed. Effects of through-thickness variation of FG material distribution, beam aspect ratio, temperature variation, and magnetic field as well as the size-dependent parameters on the dynamic behavior are investigated. Introduction of the magnetic effect creates a hardening effect; therefore, higher values of natural frequencies are obtained while smaller values of the transverse deflections are produced. The obtained results can be useful as reference solutions for future dynamic and control analysis of FG nanobeams reinforced nanocomposites under thermomagnetic effects.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.11
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pp.5930-5938
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2013
The sigmoid functionally graded mateiral(S-FGM) theory is reformulated using the nonlocal elatictiry of Erigen. The equation of equilibrium of the nonlocal elasticity are derived. This theory has ability to capture the both small scale effects and sigmoid 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 boundary conditions. Numerical solutions of biaxial buckling of nano-scale plates are presented using this theory to illustrate the effects of nonlocal theory and power law index of sigmoid function on buckling load. The relations between nonlocal and local theories are discussed by numerical results. Further, effects of (i) power law index, (ii) length, (iii) nonlocal parameter, (iv) aspect ratio and (v) mode number on nondimensional biaxial buckling load are studied. To validate the present solutions, the reference solutions are discussed.
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.
In this paper, the mechanical behaviour of functionally graded material beams is studied using the 3D Saint-Venant's theory, in which the section is free to warp in and out of its plane (Poisson's effects and out-of-plane warpings). The material properties of the FGM beam are distributed continuously through the thickness by several distributions, such as power-law distribution, exponential distribution, Mori-Tanaka schema and sigmoid distribution. The proposed method has been applied to study a simply supported FGM beam. The numerical results obtained are compared to other models in the literature, which show a high performance of the 3D exact theory used to describe the stress and strain fields in FGM beams.
In the current research paper, a quasi-3D beam theory is developed for free vibration analysis of functionally graded microbeams. The volume fractions of metal and ceramic are assumed to be distributed through a beam thickness by three functions, power function, symmetric power function and sigmoid law distribution. The modified coupled stress theory is used to incorporate size dependency of micobeam. The equation of motion is derived by using Hamilton's principle, however, Navier type solution method is used to obtain frequencies. Numerical results show the effects of the function distribution, power index and material scale parameter on fundamental frequencies of microbeams. This model provides designers with guidance to select the proper distributions and functions.
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.
This study explores the linear and nonlinear solutions of sigmoid functionally graded material (S-FGM) nanoplate with porous effects. A size-dependent numerical solution is established using the strain gradient theory and isogeometric finite element formulation. The nonlinear nonlocal strain gradient is developed based on the Reissner-Mindlin plate theory and the Von-Karman strain assumption. The sigmoid function is utilized to modify the classical functionally graded material to ensure the constituent volume distribution. Two different patterns of porosity distribution are investigated, viz. pattern A and pattern B, in which the porosities are symmetric and asymmetric varied across the plate's thickness, respectively. The nonlinear finite element governing equations are established for bending analysis of S-FGM nanoplates, and the Newton-Raphson iteration technique is derived from the nonlinear responses. The isogeometric finite element method is the most suitable numerical method because it can satisfy a higher-order derivative requirement of the nonlocal strain gradient theory. Several numerical results are presented to investigate the influences of porosity distributions, power indexes, aspect ratios, nonlocal and strain gradient parameters on the porous S-FGM nanoplate's linear and nonlinear bending responses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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