This paper investigates the free and forced vibration characteristics of functionally graded multilayer graphene nanoplatelet (GPL)/polymer composite plates within the framework of the first-order shear deformation plate theory. The weight fraction of GPL nanofillers shows a layer-wise variation along the thickness direction with GPLs uniformly dispersed in the polymer matrix in each individual layer. The effective Young’s modulus is predicted by the modified Halpin-Tsai model while the effective Poisson’s ratio and mass density are determined by the rule of mixture. Governing differential equations of motion are derived and Navier solution based technique is employed to obtain the natural frequencies and dynamic response of simply supported functionally graded GPL/polymer plates under a dynamic loading. A parametric study is conducted, with a particular focus on the effects of GPL distribution pattern, weight fraction, geometry and size as well as the total number of layers on the dynamic characteristics of the plates.

This paper investigates the nonlinear free vibration of functionally graded nanocomposite beams reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) based on Timoshenko beam theory and von Kármán geometric nonlinearity. The material properties of functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTRCs) are assumed to be graded in the thickness direction and estimated though the rule of mixture. The Ritz method is employed to derive the governing eigenvalue equation which is then solved by a direct iterative method to obtain the nonlinear vibration frequencies of FG-CNTRC beams with different end supports. A detailed parametric study is conducted to study the influences of nanotube volume fraction, vibration amplitude, slenderness ratio and end supports on the nonlinear free vibration characteristics of FG-CNTRC beams. The results for uniformly distributed carbon nanotube-reinforced composite (UD-CNTRC) beams are also provided for comparison. Numerical results are presented in both tabular and graphical forms to investigate the effects of nanotube volume fraction, vibration amplitude, slenderness ratio, end supports and CNT distribution on the nonlinear free vibration characteristics of FG-CNTRC beams.

This paper investigates the buckling and postbuckling behaviours of functionally graded multilayer nanocomposite beams reinforced with a low content of graphene platelets (GPLs) resting on an elastic foundation. It is assumed that GPLs are randomly oriented and uniformly dispersed in each individual GPL-reinforced composite (GPLRC) layer with its weight fraction varying layerwise along the thickness direction. The effective material properties of each layer are estimated by the Halpin-Tsai micromechanics model. The nonlinear governing equations of the beam on an elastic foundation are derived within the framework of the first-order shear deformation beam theory then are converted into a nonlinear algebraic system by using the differential quadrature method. A detailed parametric study is carried out to examine the effects of the distribution pattern, weight fraction, geometry and size of GPL nanofillers, foundation stiffness parameters, slenderness ratio and boundary conditions on the buckling and postbuckling behaviours. The results show that GPLs have a remarkable reinforcing effect on the buckling and postbuckling of nanocomposite beams.

This paper presents the elastic buckling and static bending analysis of shear deformable functionally graded (FG) porous beams based on the Timoshenko beam theory. The elasticity moduli and mass density of porous composites are assumed to be graded in the thickness direction according to two different distribution patterns. The open-cell metal foam provides a typical mechanical feature for this study to determine the relationship between coefficients of density and porosity. The partial differential equation system governing the buckling and bending behavior of porous beams is derived based on the Hamilton’s principle. The Ritz method is employed to obtain the critical buckling loads and transverse bending deflections, where the trial functions take the form of simple algebraic polynomials. Four different boundary conditions are considered in the paper. A parametric study is carried out to investigate the effects of porosity coefficient and slenderness ratio on the buckling and bending characteristics of porous beams. The influence of varying porosity distributions on the structural performance is highlighted to shed important insights into the porosity design to achieve improved buckling resistance and bending behavior.

This paper is concerned with the buckling and free vibration behaviors of functionally graded (FG) porous nanocomposite plates reinforced with graphene platelets (GPLs). The porous plates are constructed based on a multiplayer model with GPLs uniformly or non-uniformly distributed in the metal matrix containing open-cell internal pores. The modified Halpin-Tsai micromechanics model, the extended rule of mixture, and the typical mechanical properties of open-cell metal foams are used to determine the effective properties of the porous nanocomposite. By using the first-order shear deformation plate theory (FSDT) to account for the transverse shear strain and Chebyshev-Ritz method to discretize the displacement fields, the governing equations are derived and then solved to calculate the critical uniaxial, biaxial and shear buckling loads and natural frequencies of the plates with different porosity distributions and GPL dispersion patterns. After a convergence and validation study to verify the present analysis, a comprehensive parametric investigation on the influences of the weight fraction and geometric parameters of GPL nanofiller and the porosity coefficient is conducted to identify the most effective way to achieve improved buckling and vibration resistances of the porous nanocomposite plate.

This paper investigates the free and forced vibration characteristics of functionally graded (FG) porous beams with non-uniform porosity distribution whose elastic moduli and mass density are nonlinearly graded along the thickness direction. Both symmetric and asymmetric porosity distributions are considered. The relationship between coefficients of porosity and mass density is determined based on the typical mechanical property of an open-cell metal foam. Within the framework of Timoshenko beam theory to include the effect of transverse shear strain and by employing Lagrange equation method together with Ritz trial functions, the equation of motion is derived then solved by using Newmark-β method in the time domain. Natural frequencies and transient dynamic deflections are obtained for porous beams under different loading conditions, including a harmonic point load, an impulsive point load and a moving load with constant velocity. A detailed numerical study is conducted to examine the effects of varying porosity distribution, porosity coefficient, slenderness ratio and boundary condition, shedding important insights into the design of functionally graded porous beams to achieve improved dynamic behavior.

Nonlinear free vibration of microbeams made of functionally graded materials (FGMs) is investigated in this paper based on the modified couple stress theory and von Kármán geometric nonlinearity. The non-classical beam model is developed within the framework of Timoshenko beam theory which contains a material length scale parameter related to the material microstructures. The material properties of FGMs are assumed to be graded in the thickness direction according to the power law function and are determined by Mori-Tanaka homogenization technique. The higher-order nonlinear governing equations and boundary conditions are derived by using the Hamilton principle. A numerical method that makes use of the differential quadrature method together with an iterative algorithm is employed to determine the nonlinear vibration frequencies of the FGM microbeams with different boundary conditions. The influences of the length scale parameter, material property gradient index, slenderness ratio, and end supports on the nonlinear free vibration characteristics of the FGM microbeams are discussed in detail. It is found that both the linear and nonlinear frequencies increase significantly when the thickness of the FGM microbeam is comparable to the material length scale parameter.

This paper studies the nonlinear bending behavior of a novel class of multi-layer polymer nanocomposite beams reinforced with graphene platelets (GPLs) that are non-uniformly distributed along the thickness direction. Nonlinear governing equation is established based on Timoshenko beam theory and von Kármán nonlinear strain-displacement relationship. The effective Young's modulus of the nanocomposites is determined by modified Halpin-Tsai micromechanics model. Ritz method is employed to reduce the governing differential equation into an algebraic system from which the static bending solutions can be obtained. A comprehensive parametric study is then conducted, with a particular focus on the influences of distribution pattern, weight fraction, geometry and size of GPLs together with the total number of layers on the linear and nonlinear bending performances of the beams. Numerical results demonstrate the significantly improved bending performance through the addition of a very small amount of GPLs into polymer matrix as reinforcements. It is found that dispersing more GPLs that are in square shape with fewer single graphene layers near the top and bottom surfaces of the beam is the most effective way to reduce bending deflections. Beams with a higher weight fraction of GPLs that are symmetrically distributed in such a way are also less sensitive to the nonlinear deformation.

The nonlinear free vibration and postbuckling behaviors of multilayer functionally graded (FG) porous nanocomposite beams that are made of metal foams reinforced by graphene platelets (GPLs) are investigated in this paper. The internal pores and GPL nanofillers are uniformly dispersed within each layer but both porosity coefficient and GPL weight fraction change from layer to layer, resulting in position-dependent elastic moduli, mass density and Poisson's ratio along the beam thickness. The mechanical property of closed-cell cellular solids is employed to obtain the relationship between coefficients of porosity and mass density. The effective material properties of the nanocomposite are determined based on the Halpin-Tsai micromechanics model for Young's modulus and the rule of mixture for mass density and Poisson's ratio. Timoshenko beam theory and von Kármán type nonlinearity are used to establish the differential governing equations that are solved by Ritz method and a direct iterative algorithm to obtain the nonlinear vibration frequencies and postbuckling equilibrium paths of the beams with different end supports. Special attention is given to the effects of varying porosity coefficients and GPL's weight fraction, dispersion pattern, geometry and size on the nonlinear behavior of the porous nanocomposite beam. It is found that the addition of a small amount of GPLs can remarkably reinforce the stiffness of the beam, and its nonlinear vibration and postbuckling performance is significantly influenced by the distribution patterns of both internal pores and GPL nanofillers.

The nonlinear free vibration behavior of shear deformable sandwich porous beam is investigated in this paper within the context of Timoshenko beam theory. The proposed beam is composed of two face layers and a functionally graded porous core which contains internal pores following different porosity distributions. Two non-uniform functionally graded distributions are considered in this paper based on the equivalent beam mass, associated with a uniform distribution for purpose of comparison. The elastic moduli and mass density are assumed to vary along the thickness direction in terms of the coefficients of porosity and mass density, whose relationship is determined by employing the typical mechanical characteristic of an open-cell metal foam. The Ritz method and von Kármán type nonlinear strain-displacement relationships are applied to derive the equation system, which governs the nonlinear vibration behavior of sandwich porous beams under hinged or clamped end supports. A direct iterative algorithm is then used to solve the governing equation system to predict the linear and nonlinear frequencies which are presented by a detailed numerical study to discuss the effects of porosity coefficient, slenderness ratio, thickness ratio and to compare the varying porosity distributions and boundary conditions, providing a feasible way to improve the vibration behavior of sandwich porous beams.