Ebrahimi, Farzad;Hosseini, S. Hamed S.;Selvamani, Rajendran
Structural Engineering and Mechanics
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v.73
no.5
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pp.565-584
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2020
The nonlinear thermo-electro-elastic buckling behavior of viscoelastic nanoplates under magnetic field is investigated based on nonlocal elasticity theory. Employing nonlinear strain-displacement relations, the geometrical nonlinearity is modeled while governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi-analytical generalized differential quadrature (GDQ) method. Eringen's nonlocal elasticity theory considers the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nano-sensors and nano actuators. Based on Kelvin-Voigt model, the influence of the viscoelastic coefficient is also discussed. It is demonstrated that the GDQ method has high precision and computational efficiency in the buckling analysis of viscoelastic nanoplates. The good agreement between the results of this article and those available in literature validated the presented approach. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as electric voltage, small scale effects, elastomeric medium, magnetic field, temperature effects, the viscidity and aspect ratio of the nanoplate on its nonlinear buckling characteristics. It is explicitly shown that the thermo-electro-elastic nonlinear buckling behavior of viscoelastic nanoplates is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of viscoelastic nanoplates as fundamental elements in nanoelectromechanical systems.
Mohamed, Nazira;Eltaher, Mohamed A.;Mohamed, Salwa A.;Seddek, Laila F.
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.6
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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.
An analytical investigation has been performed on the mechanical performance of waves propagated in a Single-Layered Graphene Sheet (SLGS) when an In-plane Varying Bending (IVB) load is interacted. It has been supposed that the Graphene Sheet (GS) is located on an elastic medium. Employing a two-parameter elastic foundation, the effects of elastic substrate on the GS behavior are modeled. Besides, the kinematic equations are derived by the means of a trigonometric two-variable refined plate theory. Moreover, in order to indicate the size-dependency of the SLGS, a Nonlocal Strain Gradient Theory (NSGT) was considered. The nonlocal governing differential equations are achieved in the framework of Hamilton's Principle (HP). Also, an analytical approach was used to detect the unknowns of the final eigenvalue equation. Finally, the effects of each parameters using some dispersion charts were determined.
Simplified analytical solutions are developed for the dynamic analyses of an axially loaded pile foundation embedded in a transverse-isotropic, fluid-filled, poro-visco-elastic soil with rigid substratum. The pile is modeled as a viscoelastic Rayleigh-Love rod, while the surrounding soil is regarded as a transversely isotropic, liquid-saturated, viscoelastic, porous medium of which the mechanical behavior is represented by the Boer's poroelastic media model and the fractional derivative model. Upon the separation of variables, the frequency-domain responses for the impedance function of the pile top, and the vertical displacement and the axial force along the pile shaft are gained. Then by virtue of the convolution theorem and the inverse Fourier transform, the time-domain velocity response of the pile head is derived. The presented solutions are validated, compared to the existing solution, the finite element model (FEM) results, and the field test data. Parametric analyses are made to show the effect of the soil anisotropy and the excitation frequency on the pile-soil dynamic responses.
The nonlinear snap-through buckling of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) curved tubes is analytically investigated in this research. It is assumed that the FG-CNTRC curved tube is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to the uniformly distributed pressure and thermal loads. Properties of the curved nanocomposite tube are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite tube are temperature-dependent. The governing equations of the curved tube are obtained using a higher-order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the tube. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved tube. Equations of motion are solved using the two-step perturbation technique for nanocomposite curved tubes which are simply-supported and clamped. Closed-form expressions are provided to estimate the snap-buckling resistance of FG-CNTRC curved pipes rested on nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of the distribution pattern and volume fraction of CNTs, thermal field, foundation stiffnesses, and geometrical parameters on the instability of the curved nanocomposite tube.
Ahmed Kadiri;Mohamed Bendaida;Amina Attia;Mohammed Balubaid;S. R. Mahmoud;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdeldjebbar Tounsi;Fouad Bourada;Abdelouahed Tounsi
Advances in nano research
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v.17
no.3
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pp.235-248
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2024
This study explores the transmission of waves through polymer composite nanoplates situated on varying elastic foundations. The reinforcement of these nanoplates is assured by graphene nanoplatelets (GNP). Furthermore, the material's behavior is assessed using the Halpin-Tsai model, while the precise representations of stress and strain effects are ensured by the four variables higher order shear deformation theory. The equations of motion are obtained and resolved through the application of Hamilton's principle and the trial function. The study examines how different factors, like the nonlocal parameter, strain gradient parameter, weight fraction, and variable elastic foundations affect the outcomes of wave propagation in nanoplates. This thorough investigation offers valuable insights into the difficult behavior of wave dynamics in nanoplates, this has led to substantial advancements in engineering applications for the future.
Barzoki, Ali Akbar Mosallaie;Loghman, Abbas;Arani, Ali Ghorbanpour
Structural Engineering and Mechanics
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v.53
no.3
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pp.497-517
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2015
In this study, nonlocal nonlinear buckling analysis of embedded polymeric temperature-dependent microplates resting on an elastic matrix as orthotropic temperature-dependent elastomeric medium is investigated. The microplate is reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) in which the equivalent material properties nanocomposite are estimated based on the rule of mixture. For the carbon-nanotube reinforced composite (CNTRC) plate, both cases of uniform distribution (UD) and functionally graded (FG) distribution patterns of SWCNT reinforcements are considered. The small size effects of microplate are considered based on Eringen's nonlocal theory. Based on orthotropic Mindlin plate theory along with von K$\acute{a}$rm$\acute{a}$n geometric nonlinearity and Hamilton's principle, the governing equations are derived. Generalized differential quadrature method (GDQM) is applied for obtaining the buckling load of system. The effects of different parameters such as nonlocal parameters, volume fractions of SWCNTs, distribution type of SWCNTs in polymer, elastomeric medium, aspect ratio, boundary condition, orientation of foundation orthtotropy direction and temperature are considered on the nonlinear buckling of the microplate. Results indicate that CNT distribution close to top and bottom are more efficient than those distributed nearby the mid-plane for increasing the buckling load.
The paper studies the dispersion of the axisymmetric longitudinal wave propagating in the "hollow cylinder + surrounding medium" system with inhomogeneous initial stresses caused by the uniformly distributed radial compressional forces acting at infinity. Up to now in the world literature, there exist only a few investigations related to the wave dispersion in a hollow cylinder with inhomogeneous initial stresses. Therefore, this paper is one of the first attempts in this field in the sense of the development of investigations for the case where the cylinder is surrounded with an infinite medium. The three-dimensional linearized theory of elastic waves is used for describing the considered wave propagation problem and, for a solution to the corresponding mathematical problem, the discrete-analytical solution method is developed and employed. The corresponding dispersion equation is obtained and this equation is solved numerically and, as a result of this solution, the dispersion curves are constructed for the first and second modes. By analyzing these curves, the character of the influence of the inhomogeneous initial stresses on the dispersion curves is established. In particular, it is established that as a result of the inhomogeneity of the initial stresses both new dispersion curves and the "band gap" for the wave frequencies can appear.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.4
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pp.1275-1289
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1996
The plane elasticity problem of collinear cracks in a layered medium is investigated. The medium is modeled as bonded structure constituted from a surface layer and a semi-infinite substrate. Along the bond line between the two dissimilar homegeneous constituents, it is assumed that as interfacial zone having the functionally graded, nonhomogeneous elastic modulus exists. The layered medium contains three collinear cracks, one in each constituent material oriented perpendicular to the nominal interfaces. The stiffness matrix formulation is utilized and a set of homogeneous conditions relevant to the given problem is readily satisfied. The proposed mixed boundary value problem is then represented in the form of a system of integral equations with Cauchy-type singular kernels. The stress intensity factors are defined from the crack-tip stress fields possessing the standard square-root singular behavior. The resulting values of stress intensity factors mainly address the interactions among the cracks for various crack sizes and material combinations.
This study compares elastic moduli calculated using two stiffness testing methods with different strain ranges to evaluate the stress-settlement characteristics of foundation support layers. Elastic moduli were calculated by the soil stiffness gauge (SSG) in the micro-strain range and the plate load test (PLT) in the medium strain range. To apply the elastic moduli obtained by the two testing methods with different strain ranges to the design and construction of foundation soils, the correlation between each measurement value should be identified in advance. As a result of the comparative analysis of the elastic moduli calculated using the two methods in weathered soil and rock, which are representative support layers in Korea, the calculated elastic moduli differed depending on the types of soil and stress conditions. For various soil types, the static elastic modulus obtained by the PLT was reduced by 56% because of the difference in the strain level of the test compared with the dynamic elastic modulus obtained by the SSG. Therefore, the results show that it is necessary to apply corrections to the stress distribution, stress level, and dynamic effect according to the ground stiffness to effectively use the SSG instead of the PLT.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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