Ali Alnujaie;Alaa A. Abdelrahman;Abdulrahman M. Alanasari;Mohamed A. Eltaher
Steel and Composite Structures
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v.49
no.4
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pp.361-380
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2023
A size dependent bending behavior of piezoelectrical flexoelectric layered perforated functionally graded (FG) composite nanobeam rested on an elastic foundation is investigated analytically. The composite beam is composed of regularly cutout FG core and two piezoelectric face sheets. The material characteristics is graded through the core thickness by power law function. Regular squared cutout perforation pattern is considered and closed forms of the equivalent stiffness parameters are derived. The modified nonlocal strain gradient elasticity theory is employed to incorporate the microstructure as well as nonlocality effects into governing equations. The Winkler as well as the Pasternak elastic foundation models are employed to simulate the substrate medium. The Hamiltonian approach is adopted to derive the governing equilibrium equation including piezoelectric and flexoelectric effects. Analytical solution methodology is developed to derive closed forms for the size dependent electromechanical as well as mechanical bending profiles. The model is verified by comparing the obtained results with the available corresponding results in the literature. To demonstrate the applicability of the developed procedure, parametric studies are performed to explore influences of gradation index, elastic medium parameters, flexoelectric and piezoelectric parameters, geometrical and peroration parameters, and material parameters on the size dependent bending behavior of piezoelectrically layered PFG nanobeams. Results obtained revealed the significant effects both the flexoelectric and piezoelectric parameters on the bending behavior of the piezoelectric composite nanobeams. These parameters could be controlled to improve the size dependent electromechanical as well as mechanical behaviors. The obtained results and the developed procedure are helpful for design and manufacturing of MEMS and NEMS.
In this paper, the free vibrations of a short cylindrical nanotube made of piezoelectric material are studied based on the consistent couple stress theory and using the shear deformable cylindrical theory. This new model has only one length scale parameter and can consider the size effects of nanostructures in nanoscale. To model size effects in nanoscale, and considering the nanotube material which is piezoelectric, the consistent couple stress theory is used. First, using Hamilton's principle, the equations of motion and boundary condition of the piezoelectric cylindrical nanoshell are developed. Afterwards, using Navier approach and extended Kantorovich method (EKM), the governing equations of the system with simple-simple (S-S) and clamped-clamped (C-C) supports are solved. Afterwards, the effects of size parameter, geometric parameters (nanoshell length and thickness), and mechanical and electric properties (piezoelectric effect) on nanoshell vibrations are investigated. Results demonstrate that the natural frequency on nanoshell in nanoscale is extremely dependent on nanoshell size. Increase in size parameter, thickness and flexoelectric effect of the material leads to increase in frequency of vibrations. Moreover, increased nanoshell length and diameter leads to decreased vibration frequency.
Dynamical behaviors of one-dimensional (1D) nano-sized structures are of great importance in nanotechnology applications. Therefore, the torsional dynamic response of functionally graded nanorods which could be used to model the nano electromechanical systems or micro electromechanical systems with torsional motion about the center of twist is examined based on the theory of strain gradient nonlocal elasticity in this work. The mathematical background is constructed based on both strain gradient theory and Eringen's nonlocal elasticity theory. The equation of motions and boundary conditions of radially functionally graded nanorods are derived using Hamilton's principle and then transformed into the eigenvalue analysis by using Fourier sine series. A general coefficient matrix is obtained to assemble the Stokes' transformation. The case of a restrained functionally graded nanorod embedded in two elastic springs against torsional rotation is then deeply investigated. The effect of changing the functionally graded index, the stiffness of elastic boundary conditions, the length scale parameter and nonlocal parameter are investigated in detail.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.15
no.9
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pp.794-797
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2002
Piezoelectric properties of PZT-PSN ceramics were investigated as a function of WO$_3$ addition from 0 wt% to 6.0 wt%. The dielectric and piezoelectric characteristics of PZT-PSN ceramics have been investigated at different calcination (80$0^{\circ}C$~90$0^{\circ}C$) and sintering (110$0^{\circ}C$~130$0^{\circ}C$) temperatures. The grain size was increased with the addition of WO$_3$and the sintering temperatures. Anisotropic properties of electromechanical coupling coefficient and piezoelectric coefficient are proven to be dependent on processing temperatures and amount of addition. At the specimen with 0.6 wt% WO$_3$ addition, using calcination temperature of 80$0^{\circ}C$ and sintering temperature of 110$0^{\circ}C$ , mechanical quality factor(Q$_{m}$) and electromechanical coupling coefficient(k$_{p}$) showed the excellent results of 1560 and 0.48, respectively Experimental results indicated that the PZT-PSN system ceramics with WO$_3$impurity could be effectively used for the microtransformer and actuator applications, etc.etc.
In this research, the size-dependent impact of an embedded piezoelectric nanoplate subjected to in-plane loading on free vibration characteristic is studied. The foundation is two-parameter viscoelastic. The nonlocal elasticity is employed in order to capture the influence of size of the plate. By utilizing Hamilton's principle as well as the first- order shear deformation theory, the governing equation and boundary conditions are achieved. Then, using Navier method the equations associated with the free vibration of a plate constructed piezoelectric material under in-plane loads are solved analytically. The presented formulation and solution procedure are validated using other papers. Also, the impacts of nonlocal parameter, mode number, constant of spring, electric potential, and geometry of the nanoplate on the vibrational frequency are examined. As this paper is the first research in which the vibration associated with piezoelectric nanoplate on the basis of FSDT and nonlocal elasticity is investigated analytically, this results can be used in future investigation in this area.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.35
no.5
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pp.516-521
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2022
We investigated the microstructure, crystal structure, dielectric, and elecromechanical strain properties of lead-free BaTiO3 (BT)-modified (Bi1/2Na1/2)TiO3-SrTiO3 (BNT-ST) piezoelectric ceramics. Samples were prepared by a conventional ceramic processing route. Temperature dependent dielectric properties confirmed that a phase transition from a nonergodic relaxor to an ergodic relaxor was induced when the BT concentration reached 1.5 mol%, interestingly, where the average grain size reached a maximum value of 4.5 ㎛. At the same time, enhanced electromechanical strain (Smax/Emax = 600 pm/V) was obtained. It is suggested that the induced ferroelectric-relaxor phase transition by the BT modification is responsible for the enhancement of electromechanical strain in 1.5 mol% BT-modified BNT-ST ceramics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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