Nejad, Mohammad Zamani;Hadi, Amin;Omidvari, Arash;Rastgoo, Abbas
Structural Engineering and Mechanics
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제67권4호
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pp.417-425
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2018
The main aim of this paper is to investigate the bending of Euler-Bernouilli nano-beams made of bi-directional functionally graded materials (BDFGMs) using Eringen's non-local elasticity theory in the integral form with compare the differential form. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into integral form of Eringen's non-local elasticity theory for bending analysis of BDFGM Euler-Bernoulli nano-beams with arbitrary functions. Material properties of nano-beam are assumed to change along the thickness and length directions according to arbitrary function. The approximate analytical solutions to the bending analysis of the BDFG nano-beam are derived by using the Rayleigh-Ritz method. The differential form of Eringen's non-local elasticity theory reveals with increasing size effect parameter, the flexibility of the nano-beam decreases, that this is unreasonable. This problem has been resolved in the integral form of the Eringen's model. For all boundary conditions, it is clearly seen that the integral form of Eringen's model predicts the softening effect of the non-local parameter as expected. Finally, the effects of changes of some important parameters such as material length scale, BDFG index on the values of deflection of nano-beam are studied.
In this paper, using consistent couple stress theory and Hamilton's principle, the free vibration analysis of Euler-Bernoulli nano-beams made of bi-directional functionally graded materials (BDFGMs) with small scale effects are investigated. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into consistent couple-stress theory for free vibration analysis of BDFGM nanostructures with arbitrary functions. In addition, in order to obtain small scale effects, the consistent couple-stress theory is also applied. These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. In this theory, the couple-tensor is skew-symmetric by adopting the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor. The material properties except Poisson's ratio are assumed to be graded in both axial and thickness directions, which it can vary according to an arbitrary function. The governing equations are obtained using the concept of Hamilton principle. Generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the natural frequencies of BDFG nano-beam. At the end, some numerical results are presented to study the effects of material length scale parameter, and inhomogeneity constant on natural frequency.
Hadi, Amin;Nejad, Mohammad Zamani;Rastgoo, Abbas;Hosseini, Mohammad
Steel and Composite Structures
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제26권6호
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pp.663-672
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2018
This paper contains a consistent couple-stress theory to capture size effects in Euler-Bernoulli nano-beams made of three-directional functionally graded materials (TDFGMs). These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. In this theory, the couple-stress tensor is skew-symmetric and energy conjugate to the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor. The material properties except Poisson's ratio are assumed to be graded in all three axial, thickness and width directions, which it can vary according to an arbitrary function. The governing equations are obtained using the concept of minimum potential energy. Generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the natural frequencies of TDFG nano-beam. At the end, some numerical results are performed to investigate some effective parameter on buckling load. In this theory the couple-stress tensor is skew-symmetric and energy conjugate to the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor.
The bending, stability (buckling) and vibration response of nano sized beams is presented in this study based on the Eringen's nonlocal elasticity theory in conjunction with the Euler-Bernoulli beam theory. For this purpose, the bending, buckling and vibration problem of Euler-Bernoulli nanobeams are developed and solved on the basis of nonlocal elasticity theory. The effects of various parameters such as nonlocal parameter e0a, length of beam L, mode number n, distributed load q and cross-section on the bending, buckling and vibration behaviors of carbon nanotubes idealized as Euler-Bernoulli nanobeam is investigated. The transverse deflections, maximum transverse deflections, vibrational frequency and buckling load values of carbon nanotubes are given in tables and graphs.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad
Smart Structures and Systems
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제22권1호
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pp.105-120
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2018
In this paper, the nonlinear free and forced vibration responses of sandwich nano-beams with three various functionally graded (FG) patterns of reinforced carbon nanotubes (CNTs) face-sheets are investigated. The sandwich nano-beam is resting on nonlinear Visco-elastic foundation and is subjected to thermal and electrical loads. The nonlinear governing equations of motion are derived for an Euler-Bernoulli beam based on Hamilton principle and von Karman nonlinear relation. To analyze nonlinear vibration, Galerkin's decomposition technique is employed to convert the governing partial differential equation (PDE) to a nonlinear ordinary differential equation (ODE). Furthermore, the Multiple Times Scale (MTS) method is employed to find approximate solution for the nonlinear time, frequency and forced responses of the sandwich nano-beam. Comparison between results of this paper and previous published paper shows that our numerical results are in good agreement with literature. In addition, the nonlinear frequency, force response and nonlinear damping time response is carefully studied. The influences of important parameters such as nonlocal parameter, volume fraction of the CNTs, different patterns of CNTs, length scale parameter, Visco-Pasternak foundation parameter, applied voltage, longitudinal magnetic field and temperature change are investigated on the various responses. One can conclude that frequency of FG-AV pattern is greater than other used patterns.
In this paper, the problem of static bending of axially functionally graded (AFG) nanobeam is formulated with the local stress(Lσ)- and strain-driven(εD) two-phase local/nonlocal integral models (TPNIMs). The novelty of the present study aims to compare the size-effects of nonlocal integral models on bending deflections of AFG Euler-Bernoulli nano-beams. The integral relation between strain and nonlocal stress components based on two types nonlocal integral models is transformed unitedly and equivalently into differential form with constitutive boundary conditions. Purely LσD- and εD-NIMs would lead to ill-posed mathematical formulation, and Purely εD- and LσD-nonlocal differential models (NDM) may result in inconsistent size-dependent bending responses. The general differential quadrature method is applied to obtain the numerical results for bending deflection and moment of AFG nanobeam subjected to different boundary and loading conditions. The influence of AFG index, nonlocal models, and nonlocal parameters on the bending deflections of AFG Euler-Bernoulli nanobeams is investigated numerically. A consistent softening effects can be obtained for both LσD- and εD-TPNIMs. The results from current work may provide useful guidelines for designing and optimizing AFG Euler-Bernoulli beam based nano instruments.
Devnath, Indronil;Islam, Mohammad Nazmul;Siddique, Minhaj Uddin Mahmood;Tounsi, Abdelouahed
Advances in nano research
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제12권2호
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pp.139-150
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2022
This paper presents sets of explicit analytical equations that compute the static displacements of nanobeams by adopting the nonlocal elasticity theory of Eringen within the framework of Euler Bernoulli and Timoshenko beam theories. Castigliano's theorem is applied to an equivalent Virtual Local Beam (VLB) made up of linear elastic material to compute the displacements. The first derivative of the complementary energy of the VLB with respect to a virtual point load provides displacements. The displacements of the VLB are assumed equal to those of the nonlocal beam if nonlocal effects are superposed as additional stress resultants on the VLB. The illustrative equations of displacements are relevant to a few types of loadings combined with a few common boundary conditions. Several equations of displacements, thus derived, matched precisely in similar cases with the equations obtained by other analytical methods found in the literature. Furthermore, magnitudes of maximum displacements are also in excellent agreement with those computed by other numerical methods. These validated the superposition of nonlocal effects on the VLB and the accuracy of the derived equations.
The current study presents a new technique in the framework of the nonlocal elasticity theory for a comprehensive buckling analysis of Euler-Bernoulli nano-beams made up of bidirectional functionally graded material (BDFGM). The mechanical properties are considered by exponential and arbitrary variations for axial and transverse directions, respectively. The various circumstances including tapering, resting on two-parameter elastic foundation, step-wise or continuous variations of axial loading, various shapes of sections with various distribution laws of mechanical properties and various boundary conditions like the multi-span beams are taken into account. As far as we know, for the first time in the current work, the buckling analyses of BDFGM nano-beams are carried out under mentioned circumstances. The critical buckling loads and mode shapes are calculated by using energy method and a new technique based on calculus of variations and collocation method. Fast convergence and excellent agreement with the known data in literature, wherever possible, presents the efficiency of proposed technique. The effects of boundary conditions, material and taper constants, foundation moduli, variable axial compression and small-scale of nano-beam on the buckling loads and mode shapes are investigated. Moreover the analytical solutions, for the simpler cases are provided in appendices.
Eltaher, M.A.;Khater, M.E.;Park, S.;Abdel-Rahman, E.;Yavuz, M.
Advances in nano research
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제4권1호
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pp.51-64
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2016
This paper investigates the effects of thermal load and shear force on the buckling of nanobeams. Higher-order shear deformation beam theories are implemented and their predictions of the critical buckling load and post-buckled configurations are compared to those of Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories. The nonlocal Eringen elasticity model is adopted to account a size-dependence at the nano-scale. Analytical closed form solutions for critical buckling loads and post-buckling configurations are derived for proposed beam theories. This would be helpful for those who work in the mechanical analysis of nanobeams especially experimentalists working in the field. Results show that thermal load has a more significant impact on the buckling behavior of simply-supported beams (S-S) than it has on clamped-clamped (C-C) beams. However, the nonlocal effect has more impact on C-C beams that it does on S-S beams. Moreover, it was found that the predictions obtained from Timoshenko beam theory are identical to those obtained using all higher-order shear deformation theories, suggesting that Timoshenko beam theory is sufficient to analyze buckling in nanobeams.
Rabab A. Shanab;Norhan A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Alaa A. Abdelrahman
Advances in nano research
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제14권1호
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pp.45-65
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2023
This paper aimed to investigate the nonclassical size dependent free vibration behavior of regularly squared cutout viscoelastic nanobeams. The nonlocal strain gradient elasticity theory is modified and adopted to incorporate the viscoelasticity effect. The Kelvin Voigt viscoelastic model is adopted to model the linear viscoelastic constitutive response. To explore the influence of shear deformation effect due to cutout, both Euler Bernoulli and Timoshenko beams theories are considered. The Hamilton principle is utilized to derive the dynamic equations of motion incorporating viscoelasticity and size dependent effects. Closed form solutions for the resonant frequencies for both perforated Euler Bernoulli nanobeams (PEBNB) and perforated Timoshenko nanobeams (PTNB) are derived considering different boundary conditions. The developed procedure is verified by comparing the obtained results with the available results in the literature. Parametric studies are conducted to show the influence of the material damping, the perforation, the material and the geometrical parameters as well as the boundary and loading conditions on the dynamic behavior of viscoelastic perforated nanobeams. The proposed procedure and the obtained results are supportive in the analysis and design of perforated viscoelastic NEMS structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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