This work is concerned with transverse vibrations of axially traveling nanobeams including strain gradient and thermal effects. The strain gradient elasticity theory and the temperature field are taken into consideration. A new higher-order differential equation of motion is derived from the variational principle and the corresponding higher-order non-classical boundary conditions including simple, clamped, cantilevered supports and their higher-order "offspring" are established. Effects of strain gradient nanoscale parameter, temperature change, shape parameter and axial traction on the natural frequencies are presented and discussed through some numerical examples. It is concluded that the factors mentioned above significantly influence the dynamic behaviors of an axially traveling nanobeam. In particular, the strain gradient effect tends to induce higher vibration frequencies as compared to an axially traveling macro beams based on the classical vibration theory without strain gradient effect.
In this paper, an asymptotic method is employed to formulate nano- or micro-beams based on strain gradient elasticity. Although a basic theory for the strain gradient elasticity has been well established in literature, a systematic approach is relatively rare because of its complexity and ambiguity of higher-order elasticity coefficients. In order to systematically identify the strain gradient effect, an asymptotic approach is adopted by introducing the small parameter which represents the beam geometric slenderness and/or the internal atomistic characteristic. The approach allows us to systematically split the two-dimensional strain gradient elasticity into the microscopic one-dimensional through-the-thickness analysis and the macroscopic one-dimensional beam analysis. The first-order beam problem turns out to be different from the classical elasticity in terms of the bending stiffness, which comes from the through-the-thickness strain gradient effect. This subsequently affects the second-order transverse shear stress in which the surface shear stress exists. It is demonstrated that a careful derivation of a first strain gradient elasticity embraces "Gurtin-Murdoch traction" as the surface effect of a one-dimensional Euler-Bernoulli-like beam model.
This article focuses on the study of the buckling behavior of two-dimensional functionally graded (2D-FG) nanosize tubes, including porosity, based on the first shear deformation and higher-order theory of the tube. The nano-scale tube is simulated using the nonlocal gradient strain theory, and the general equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle for the Zhang-Fu's tube model (as a higher-order theory) and Timoshenko beam theory. Finally, the derived equations are solved using a numerical method for both simply-supported and clamped boundary conditions. A parametric study is performed to investigate the effects of different parameters, such as axial and radial FG power indices, porosity parameter, and nonlocal gradient strain parameters, on the buckling behavior of the bi-dimensional functionally graded porous tube. Keywords: Nonlocal strain gradient theory; buckling; Zhang-Fu's tube model; Timoshenko theory; Two-dimensional functionally graded materials; Nanotubes; Higher-order theory.
Eyvazian, Arameh;Zhang, Chunwei;Musharavati, Farayi;Khan, Afrasyab;Mohamed, Abdeliazim Mustafa
Advances in nano research
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v.10
no.3
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pp.271-280
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2021
The present work deals with an investigation on longitudinal wave propagation in nanobeams made of graphene sheets, for the first time. The nanobeam is modelled via a higher-order shear deformation theory accounts for both higher-order and thickness stretching terms. The general nonlocal strain gradient theory including nonlocality and strain gradient characteristics of size-dependency in order is used to examine the small-scale effects. This model has three-small scale coefficients in which two of them are for nonlocality and one of them applied for gradient effects. Hamilton supposition is applied to obtain the governing motion equation which is solved using a harmonic solution procedure. It is indicated that the longitudinal wave characteristics of the nanobeams are significantly influenced by the nonlocal parameters and strain gradient parameter. It is shown that higher nonlocal parameter is more efficient than lower nonlocal parameter to change longitudinal phase velocities, while the strain gradient parameter is the determining factor for their efficiency on the results.
A high-order nonlocal strain gradient model is developed for wave propagation analysis of porous FG nanoplates resting on a gradient hybrid foundation in thermal environment, for the first time. Material properties are assumed to be temperature-dependent and graded in the nanoplate thickness direction. To consider the thermal effects, uniform, linear, nonlinear, exponential, and sinusoidal temperature distributions are considered for temperature-dependent FG material properties. On the basis of the refined-higher order shear deformation plate theory (R-HSDT) in conjunction with the bi-Helmholtz nonlocal strain gradient theory (B-H NSGT), Hamilton's principle is used to derive the equations of wave motion. Then the dispersion relation between frequency and wave number is solved analytically. The influences of various parameters (such as temperature rise, volume fraction index, porosity volume fraction, lower and higher order nonlocal parameters, material characteristic parameter, foundations components, and wave number) on the wave propagation behaviors of porous FG nanoplates are investigated in detail.
This article focused on studying the buckling behavior of two-dimensional functionally graded (2D-FG) nanosize tubes, including porosity based on first shear deformation and higher-order theory of tube. The nano-scale tube is simulated based on the nonlocal gradient strain theory, and the general equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle for the Zhang-Fu's tube model (as higher-order theory) and Timoshenko beam theory. Finally, the derived equations are solved using a numerical method for both simply-supported and clamped boundary conditions. The parametric study is performed to study the effects of different parameters such as axial and radial FG power indexes, porosity parameter, nonlocal gradient strain parameters on the buckling behavior of di-dimensional functionally graded porous tube.
Present investigation deals with the free vibration characteristics of nanoscale-beams resting on elastic Pasternak's foundation based on nonlocal strain-gradient theory and a higher order hyperbolic beam model which captures shear deformation effect without using any shear correction factor. The nanobeam is lying on two-parameters elastic foundation consist of lower spring layers as well as a shear layer. Nonlocal strain gradient theory takes into account two scale parameters for modeling the small size effects of nanostructures more accurately. Hamilton's principal is utilized to derive the governing equations of embedded strain gradient nanobeam and, after that, analytical solutions are provided for simply supported conditions to solve the governing equations. The obtained results are compared with those predicted by the previous articles available in literature. Finally, the impacts of nonlocal parameter, length scale parameter, slenderness ratio, elastic medium, on vibration frequencies of nanosize beams are all evaluated.
The main goal of this article is to develop the finite element formulation based on the nonlocal strain gradient and the refined higher-order deformation theory employing a new function f(z) to investigate the static bending and free vibration of functionally graded porous (FGP) nanobeams. The proposed model considers the simultaneous effects of two parameters: nonlocal and strain gradient coefficients. The nanobeam is made by FGP material that exists in un-even and logarithmic-uneven distribution. The governing equation of the nanobeam is established based on Hamilton's principle. The authors use a 2-node beam element, each node with 8 degrees of freedom (DOFs) approximated by the C1 and C2 continuous Hermit functions to obtain the elemental stiffness matrix and mass matrix. The accuracy of the proposed model is tested by comparison with the results of reputable published works. From here, the influences of the parameters: nonlocal elasticity, strain gradient, porosity, and boundary conditions are studied.
This article presents an analytical approach to explore the bending behaviour of of two-dimensional (2D) functionally graded (FG) nanobeams based on a two-variable higher-order shear deformation theory and nonlocal strain gradient theory. The kinematic relations are proposed according to novel trigonometric functions. The material gradation and material properties are varied along the longitudinal and the transversal directions. The equilibrium equations are obtained by using the virtual work principle and solved by applying Navier's technique. A comparative evaluation of results against predictions from literature demonstrates the accuracy of the proposed analytical model. Moreover, a detailed parametric analysis checks for the sensitivity of the bending and stresses response of (2D) FG nanobeams to nonlocal length scale, strain gradient microstructure scale, material distribution and geometry.
Arefi, Mohammad;Bidgoli, Elyas Mohammad-Rezaei;Zenkour, Ashraf M.
Smart Structures and Systems
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v.22
no.1
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pp.27-40
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2018
The governing equations of motion are derived for analysis of a sandwich microbeam in this paper. The sandwich microbeam is including an elastic micro-core and two piezoelectric micro-face-sheets. The microbeam is subjected to transverse loads and two-dimensional electric potential. Higher-order sinusoidal shear deformation beam theory is used for description of displacement field. To account size dependency in governing equations of motion, strain gradient theory is used to mention higher-order stress and strains. An analytical approach for simply-supported sandwich microbeam with short-circuited electric potential is proposed. The numerical results indicate that various types of parameters such as foundation and material length scales have significant effects on the free vibration responses and dynamic results. Investigation on the influence of material length scales indicates that increase of both dimensionless material length scale parameters leads to significant changes of vibration and dynamic responses of microbeam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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