Mohamed, Nazira;Eltaher, Mohamed A.;Mohamed, Salwa A.;Seddek, Laila F.
Structural Engineering and Mechanics
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제70권6호
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pp.737-750
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2019
This paper investigates the static and dynamic behaviors of imperfect single walled carbon nanotube (SWCNT) modeled as a beam structure by using energy-equivalent model (EEM), for the first time. Based on EEM Young's modulus and Poisson's ratio for zigzag (n, 0), and armchair (n, n) carbon nanotubes (CNTs) are presented as functions of orientation and force constants. Nonlinear Euler-Bernoulli assumptions are proposed considering mid-plane stretching to exhibit a large deformation and a small strain. To simulate the interaction of CNTs with the surrounding elastic medium, nonlinear elastic foundation with cubic nonlinearity and shearing layer are employed. The equation governed the motion of curved CNTs is a nonlinear integropartial-differential equation. It is derived in terms of only the lateral displacement. The nonlinear integro-differential equation that governs the buckling of CNT is numerically solved using the differential integral quadrature method (DIQM) and Newton's method. The linear vibration problem around the static configurations is discretized using DIQM and then is solved as a linear eigenvalue problem. Numerical results are depicted to illustrate the influence of chirality angle and imperfection amplitude on static response, buckling load and dynamic behaviors of armchair and zigzag CNTs. Both, clamped-clamped (C-C) and simply supported (SS-SS) boundary conditions are examined. This model is helpful especially in mechanical design of NEMS manufactured from CNTs.
In this research, a simple quasi 3D hyperbolic shear deformation model is employed for bending and dynamic behavior of functionally graded (FG) plates resting on visco-Pasternak foundations. The important feature of this theory is that, it includes the thickness stretching effect with considering only 4 unknowns, which less than what is used in the First Order Shear Deformation (FSDT) theory. The viscoPasternak's foundation is taken into account by adding the influence of damping to the usual foundation model which characterized by the linear Winkler's modulus and Pasternak's foundation modulus. The equations of motion for thick FG plates are obtained in the Hamilton principle. Analytical solutions for the bending and dynamic analysis are determined for simply supported plates resting on visco-Pasternak foundations. Some numerical results are presented to indicate the effects of material index, elastic foundation type, and damping coefficient of the foundation, on the bending and dynamic behavior of rectangular FG plates.
This work investigates the effect of Winkler/Pasternak/Kerr foundation and porosity on dynamic behavior of FG plates using a simple quasi-3D hyperbolic theory. Four different patterns of porosity variations are considered in this study. The used quasi-3D hyperbolic theory is simple and easy to apply because it considers only four-unknown variables to determine the four coupled vibration responses (axial-shear-flexion-stretching). A detailed parametric study is established to evaluate the influences of gradient index, porosity parameter, stiffness of foundation parameters, mode numbers, and geometry on the natural frequencies of imperfect FG plates.
In this study, the nonlinear vibrations of stepped beams having different boundary conditions were investigated. The equations of motions were obtained by using Hamilton's principle and made non dimensional. The stretching effect induced non-linear terms to the equations. Natural frequencies are calculated for different boundary conditions, stepped ratios and stepped locations by Newton-Raphson Method. The corresponding nonlinear correction coefficients are also calculated for the fundamental mode. At the second part, an alternative method is produced for the analysis. The calculated natural frequencies and nonlinear corrections are used for training an artificial neural network (ANN) program which has a multi-layer, feed-forward, back-propagation algorithm. The results of the algorithm produce errors less than 2.5% for linear case and 10.12% for nonlinear case. The errors are much lower for most cases except clamped-clamped end condition. By employing the ANN algorithm, the natural frequencies and nonlinear corrections are easily calculated by little errors, and the computational time is drastically reduced compared with the conventional numerical techniques.
A new first-order shear deformation theory is developed for dynamic behavior of functionally graded beams. The equations governing the axial and transverse deformations of functionally graded plates are derived based on the present first-order shear deformation plate theory and the physical neutral surface concept. There is no stretching-bending coupling effect in the neutral surface based formulation, and consequently, the governing equations and boundary conditions of functionally graded beams based on neutral surface have the simple forms as those of isotropic plates. The accuracy of the present solutions is verified by comparing the obtained results with the existing solutions.
The correlation between the water and N-methylacetamide (NMA) intramolecular vibrational frequencies and the hydrogen-bond length in a variety of NMA-H₂O and NMA-D₂O complexes was investigated by carrying out ab initio calculations. As the hydrogen-bond length decreases, the frequencies of bending and stretching modes of the hydrogen-bonding water increases and decreases, respectively, and the amide I and II (III) mode frequencies of the NMA decreases and increases, respectively. In this paper, correlation maps among the amide (I, II, and III) modes of NMA and three intramolecular water modes are thus established, which in turn can be used as guidelines for interpreting two-dimensional vibrational spectra of aqueous NMA solutions.
The early investigators into the in-plane vibration of rings were Hoppe $Hoppe ^{1)}$ and $Love ^{2)}$. $Love ^{2)}$ Improved on Hoppe's theory by allowing for stretching of the ring. $Lamb ^{3)}$ investigated the statics of incomplete ring with various boundary conditions and the dynamics of an incomplete free-free ring of small curvature. Den $Hartog ^{4)}$ used the Rayleigh-Ritz method for finding the lowest natural frequency of circular arcs with simply supported or clamped ends and his work was extended by Volterra and $Morell ^{5)}$ for the vibrations of arches having center lines in the form of cycloids, catenaries or parabolas.(omitted)
Energy harvesting technologies converting external sources (such as thermal energy, vibration and mechanical energy from the nature sources of wind, waves or animal movements) into electrical energy is recently a highly demanding issue in the materials science community for making sustainable green environments. In particular, fabrication of usable nanogenerator attract the attention of many researchers because it can scavenge even the biomechanical energy inside the human body (such as heart beat, blood flow, muscle stretching, or eye blinking) by converging harvesting technology with implantable bio-devices. Herein, we describe procedure suitable for generating and printing a lead-free microstructured $BaTiO_3$ thin film nanogenerator on plastic substrates to overcome limitations appeared in conventional flexible ferroelectric devices. Flexible $BaTiO_3$ thin film nanogenerator was fabricated and the piezoelectric properties and mechanically stability of ferroelectric devices were characterized. From the results, we demonstrate the highly efficient and stable performance of $BaTiO_3$ thin film nanogenerator and the integration of bio-eco-compatible ferroelectric materials may enable innovative opportunities for artificial skin and energy harvesting system.
FTIR spectroscopy has been employed to investigate the variation of anion-water hydrogen bonding in 1-butyl 3-methyl imidazolium tetrafluoroborate ([Bmim][$BF_4$]) ionic liquid caused by addition of organic co-solvents with various polarities. The variation was estimated by probing band shape and intensity of the OH stretching vibration of trace water present in ionic liquid at $3400-3800cm^{-1}$. The presence of polar aprotic co-solvent in ionic liquid dramatically reduces the absorptivity of the OH stretch band, indicating that the co-solvent changes the nature of anion-water hydrogen bond drastically, which might be responsible for the reduction of the viscosity of ionic liquid in the presence of the co-solvent.
In this study, nonlinear transverse vibrations of tensioned Euler-Bernoulli nanobeams are studied. The nonlinear equations of motion including stretching of the neutral axis and axial tension are derived using nonlocal beam theory. Forcing and damping effects are included in the equations. Equation of motion is made dimensionless via dimensionless parameters. A perturbation technique, the multiple scale methods is employed for solving the nonlinear problem. Approximate solutions are applied for the equations of motion. Natural frequencies of the nanobeams for the linear problem are found from the first equation of the perturbation series. From nonlinear term of the perturbation series appear as corrections to the linear problem. The effects of the various axial tension parameters and different nonlocal parameters as well as effects of different boundary conditions on the vibrations are determined. Nonlinear frequencies are estimated; amplitude-phase modulation figures are presented for simple-simple and clamped-clamped cases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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