Yahia, Sihame Ait;Atmane, Hassen Ait;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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제53권6호
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pp.1143-1165
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2015
In this work, various higher-order shear deformation plate theories for wave propagation in functionally graded plates are developed. Due to porosities, possibly occurring inside functionally graded materials (FGMs) during fabrication, it is therefore necessary to consider the wave propagation in plates having porosities in this study. The developed refined plate theories have fewer number of unknowns and equations of motion than the first-order shear deformation theory, but accounts for the transverse shear deformation effects without requiring shear correction factors. The rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the functionally graded plates with porosity phases. The governing equations of the wave propagation in the functionally graded plate are derived by employing the Hamilton's principle. The analytic dispersion relation of the functionally graded plate is obtained by solving an eigenvalue problem. The effects of the volume fraction distributions and porosity volume fraction on wave propagation of functionally graded plate are discussed in detail. The results carried out can be used in the ultrasonic inspection techniques and structural health monitoring.
Ebrahimi, Farzad;Mahmoodi, Fateme;Barati, Mohammad Reza
Advances in materials Research
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제6권3호
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pp.279-301
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2017
Thermo-mechanical vibration characteristics of in homogeneousporous functionally graded (FG) micro/nanobeam subjected to various types of thermal loadings are investigated in the present paper based on modified couple stress theory with consideration of the exact position of neutral axis. The FG micro/nanobeam is modeled via a refined hyperbolic beam theory in which shear deformation effect is verified needless of shear correction factor. A modified power-law distribution which contains porosity volume fraction is used to describe the graded material properties of FG micro/nanobeam. Temperature field has uniform, linear and nonlinear distributions across the thickness. The governing equations and the related boundary conditions are derived by Extended Hamilton's principle and they are solved applying an analytical solution which satisfies various boundary conditions. A comparison study is performed to verify the present formulation with the known data in the literature and a good agreement is observed. The parametric study covered in this paper includes several parameters such as thermal loadings, porosity volume fraction, power-law exponents, slenderness ratio, scale parameter and various boundary conditions on natural frequencies of porous FG micro/nanobeams in detail.
The sintering behaviors of the glass-alumina composites for low firing temperature were investigated as functiions of the volume fraction of alumina powder and the particle size with respect to porosity and pore shape. As the volume fraction of alumina powder was increased or the particle size of it was decreased, the sintering temperature of open pore-closing was raised. When the volume fractions of alumina which had 2.19$\mu\textrm{m}$ median diameter were increased with 20, 30, 40, and 50%, the sintering temperatures of open pore-closing were 425, 450, 475, and 500$^{\circ}C$. And when the median particle size of alumina was diminished from 2.19$\mu\textrm{m}$ to 0.38$\mu\textrm{m}$, the sintering temperature of open pore-closing was increased from 450$^{\circ}C$ to 475$^{\circ}C$. Especially, the sintering temperature, which showed maximum density, was corresponded with the stage of open pore-closing and after achieving maximum density over heating resulted in dedensification of specimen, so called, over-firing behavior.
The porosity of functionally graded materials (FGM) can affect the static and dynamic behavior of plates, which is important to take this aspect into account when analyzing such structures. The present work aims to study the effect of the distribution shape of porosity on the free vibration response of simply supported FG plate reposed on the Winkler-Pasternak foundation. A refined theory of shear deformation is expanded to study the influence of the distribution shape of porosity on the free vibration behavior of FG plates. The findings showed that the distribution shape of porosity significantly influences the free vibration behavior of thick rectangular FG plates for small values of Winkler-Pasternak elastic foundation parameters.
A refined projection-based purely Lagrangian meshfree method is presented towards reliable numerical analysis of fluid flow interactions with saturated/unsaturated porous media of uniform/spatially-varying porosities. The governing equations are reformulated on the basis of two-phase mixture theory with incorporation of volume fraction. These principal equations of mixture are discretized in the context of Incompressible SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method. Associated with the consideration of governing equations of mixture, a new term arises in the source term of PPE (Poisson Pressure Equation), resulting in modified source term. The linear and nonlinear force terms are included in momentum equation to represent the resistance from porous media. Volume increase of fluid particles are taken into consideration on account of the presence of porous media, and hence multi-resolution ISPH framework is also incorporated. The stability and accuracy of the proposed method are thoroughly examined by reproducing several numerical examples including the interactions between fluid flow and saturated/unsaturated porous media of uniform/spatially-varying porosities. The method shows continuous pressure field, smooth variations of particle volumes and regular distributions of particles at the interface between fluid and porous media.
Based on the compositions and structures of cement-based materials, the geometrical models of the tortuosity of transport paths in hardened cement pastes, mortar and concrete, which are associated with the capillary porosity, cement hydration degree, mixture particle shape, aggregate volume fraction and water-cement ratio, are established by using a geometric approach. Numerical simulations are carried out to investigate the effects of material parameters such as water-cement ratio, volume fraction of the mixtures, shape and size of aggregates and cement hydration degree, on the tortuosity of transport paths in hardened cement pastes, mortar and concrete. Results indicate that the transport tortuosity in cement-based materials decreases with the increasing of water-cement ratio, and increases with the cement hydration degree, the volume fraction of cement and aggregate, the shape factor and diameter of aggregates, and the material parameters related to cement pastes, such as the water-cement ratio, cement hydration degree and cement volume fraction, are the primary factors that influence the transport tortuosity of cement-based materials.
Porous materials such as polymeric foam are widely adopted in engineering and biomedical fields. Porous materials often exhibit complex nonlinear behaviors and are sensitive to material and environmental factors including cell size and shape, amount of porosity, and temperature, which are influenced by the type of base materials, reinforcements, method of fabrication, etc. Hence, the material characteristics of porous materials such as compressive stress-strain behavior and void volume fraction according to aforementioned factors should be precisely identified. In this study, unconfined uniaxial compressive test for two types of closed-cell structure polyurethane foam, namely, 0.16 and $0.32g/cm^3$ of densities were carried out. In addition, the void volume fraction of three different domains, namely, center, surface and buckling regions under various compressive strains (10 %, 30 %, 50 % and 70 %) were quantitatively observed using Micro 3D Computed Tomography(micro-CT) scanning system. Based on the experimental results, the relationship between compressive strain and void volume fraction with respect to cell size, density and boundary condition were investigated.
In this study, free vibration analysis of functionally graded (FG) porous truncated conical shell panels reinforced by graphene platelets (GPLs) has been investigated for the first time. Additionally, the effect of three different types of porosity distribution and five different types of GPLs patterns on dynamic response of the shell are also studied. Halpin-Tsai micromechanical model and Voigt's rule are used to determine Young modulus, shear modulus and Poisson's ratio with mass densities of the shell, respectively. The main novelties of present study are: applying 3D elasticity theory and the finite element method in conjunction with Rayleigh-Ritz method to give more accurate results unlike other simplified shell theories, and also presenting a general 3D solution in cylindrical coordinate system that can be used for analyses of different structures such as circular, annular and annular sector plates, cylindrical shells and panels, and conical shells and panels. A convergence study is performed to justify the correctness of the obtained solution and numerical results. The impact of porosity and GPLs patterns, the volume of voids, the weight fraction of graphene nanofillers, semi vertex and span angles of the cone, and various boundary conditions on natural frequencies of the functionally graded panel have been comprehensively studied and discussed. The results show that the most important parameter on dynamic response of FG porous truncated conical panel is the weight fraction of nanofiller and adding 1% weight fraction of nanofiller could increase 57% approximately the amounts of natural frequencies of the shell. Moreover, the porosity distribution has great effect on the value of natural frequency of structure rather than the porosity coefficient.
A theoretical method to predict the interfacial stresses in the adhesive layer of reinforced concrete beams strengthened with porous FRP plate is presented in this paper. The effect due to porosity is incorporated utilizing a new modified rule of mixture covering the porosity phases. The adherend shear deformations have been included in the present theoretical analyses by assuming a linear shear stress through the thickness of the adherends. Remarkable effect of the porosity has been noted in the results. Indeed, the resulting interfacial stresses concentrations are considerably smaller than those obtained by other models which neglect the porosity effect. It was found that the interfacial stresses are highly concentrated at the end of the FRP plate, the minimization of the latter can be achieved by using porous FRP plate in particular at the end. It is also shown that the interfacial stresses of the RC beam increase with volume fraction of fibers, but decrease with the thickness of the adhesive layer.
In this paper, a free vibration analysis of functionally graded beam made of porous material is presented. The material properties are supposed to vary along the thickness direction of the beam according to the rule of mixture, which is modified to approximate the material properties with the porosity phases. For this purpose, a new displacement field based on refined shear deformation theory is implemented. The theory accounts for parabolic distribution of the transverse shear strains and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the beam without using shear correction factors. Based on the present refined shear deformation beam theory, the equations of motion are derived from Hamilton's principle. The rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the FG beams with porosity phases. The accuracy of the present solutions is verified by comparing the obtained results with the existing solutions. Illustrative examples are given also to show the effects of varying gradients, porosity volume fraction, aspect ratios, and thickness to length ratios on the free vibration of the FG beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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