This paper presents a three-dimensional displacement-based formulation to investigate the free vibration of functionally graded nanoplates resting on a Winkler-Pasternak foundation based on the nonlocal elasticity theory. The material properties of the FG nanoplate are considered to vary continuously through the thickness of the nanoplate according to the power-law distribution model. A general three-dimensional displacement field is considered for the plate, which takes into account the out-of-plane strains of the plate as well as the in-plane strains. Unlike the shear deformation theories, in the present formulation, no predetermined form for the distribution of displacements and transverse strains is considered. The equations of motion for functionally graded nanoplate are derived based on Hamilton's principle. The solution is obtained for simply-supported nanoplate, and the predicted results for natural frequencies are compared with the predictions of shear deformation theories which are available in the literature. The predictions of the present theory are discussed in detail to investigate the effects of power-law index, length-to-thickness ratio, mode numbers and the elastic foundation on the dynamic behavior of the functionally graded nanoplate. The present study presents a three-dimensional solution that is able to determine more accurate results in predicting of the natural frequencies of flexural and thickness modes of nanoplates. The effects of parameters that play a key role in the analysis and mechanical design of functionally graded nanoplates are investigated.
Dehshahri, Kasra;Nejad, Mohammad Zamani;Ziaee, Sima;Niknejad, Abbas;Hadi, Amin
Advances in nano research
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제8권2호
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pp.115-134
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2020
In this paper, the free vibrations analysis of the nanoplates made of three-directional functionally graded material (TDFGM) with small scale effects is presented. To study the small-scale effects on natural frequency, modified strain gradient theory (MSGT) has been used. Material properties of the nanoplate follow an arbitrary function that changes in three directions along the length, width and thickness of the plate. The equilibrium equations and boundary conditions of nanoplate are obtained using the Hamilton's principle. The generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations and different boundary conditions for obtaining the natural frequency of nanoplate made of three-directional functionally graded material. The present model can be transformed into a couple stress plate model or a classic plate model if two or all parameters of the length scales set to zero. Finally, numerical results are presented to study the small-scale effect and heterogeneity constants and the aspect ratio with different boundary conditions on the free vibrations of nanoplates. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into MSGT for free vibration analysis of FGM nanoplate with arbitrary functions.
In this paper, reaction of functionally graded (FG) thick nanoplates resting on a viscoelastic foundation to a moving nanoparticle/load is investigated. Nanoplate is assumed to be thick by using second order shear deformation theory and small-scale effects are taken into account in the framework of Eringen's nonlocal theory. Material properties are varied through the thickness using FG models by having power-law, sigmoid and exponential functions for material changes. FG nanoplate is assumed to be on a viscoelastic medium which is modeled using Kelvin-Voight viscoelastic model. Galerkin, state space and fourth-order Runge-Kutta methods are employed to solve the governing equations. A comprehensive parametric study is presetned to show the influence of different parameters on mechanical behavior of the system. It is shown that material variation in conjunction with nonlocal term have a significant effect on the dynamic deformation of nanoplate which could be used in comprehending and designing more efficient nanostructures. Moreover, it is shown that having a viscoelastic medium could play an important role in decreasing these dynamic deformations. With respect to the fresh studies on moving atoms, molecules, cells, nanocars, nanotrims and point loads on different nanosctructures using scanning tunneling microscopes (STM) and atomic force microscopes (AFM), this study could be a step forward in understanding, predicting and controlling such kind of behaviors by showing the influence of the moving path, velocity etc. on dynamic reaction of the plate.
In this article, the vibration behavior of embedded Functionally Graded Nanoplate (FGNP) employing nonlocal Kirchhoff's plate theory has been investigated under hygrothermal environment. The FGNP is considered to be supported by Winkler-Pasternak foundation. The Eringen's differential theory is used for size effect on the vibration of the FGNP. Rayleigh-Ritz method with orthogonal polynomials are employed for the governing equations and edge constraints. The advantage of this method is that it overcomes all the drawbacks of edge constraints and can easily handle any combinations of mixed edge constraints. The coefficients viz. moisture expansion, thermal expansion and elastic coefficients are considered to be transversely graded across the FGNP. The similarity of the calculated natural frequencies is examined with the previous research, and a good concurrency is seen. The objective of this article is to analyze the parameters' effect on the nondimensionalized frequency of embedded FGNP under hygrothermal environment subjected to all possible edge constraints. For this, uniform and linear rise of temperature and moisture concentration are considered. The study highlights that the nonlocal effect is pronounced for higher modes. Moreover, the effect of the Pasternak modulus is seen to be prominent compared to the Winkler modulus on non dimensionalized frequencies of FGNP.
Emadi, Maryam;Nejad, Mohammad Zamani;Ziaee, Sima;Hadi, Amin
Steel and Composite Structures
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제39권5호
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pp.565-581
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2021
In this paper the buckling analysis of the nanoplate made of arbitrary bi-directional functionally graded (BDFG) materials with small scale effects are investigated. To study the small-scale effects on buckling load, the Eringen's nonlocal theory is applied. Employing the principle of minimum potential energy, the governing equations are obtained. Generalize differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the buckling load of BDFG nanoplates. These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. Comparison between the results of GDQ method and other papers for buckling analysis of a simply supported rectangular nano FGM plate reveals the accuracy of GDQ method. At the end some numerical results are presented to study the effects of material length scale parameter, plate thickness, aspect ratio, Poisson's ratio boundary condition and side to thickness ratio on size dependent Frequency.
Thermo-mechanical buckling problem of functionally graded (FG) nanoplates supported by Pasternak elastic foundation subjected to linearly/non-linearly varying loadings is analyzed via the nonlocal elasticity theory. Two opposite edges of the nanoplate are subjected to the linear and nonlinear varying normal stresses. Elastic properties of nanoplate change in spatial coordinate based on a power-law form. Eringen's nonlocal elasticity theory is exploited to describe the size dependency of nanoplate. The equations of motion for an embedded FG nanoplate are derived by using Hamilton principle and Eringen's nonlocal elasticity theory. Navier's method is presented to explore the influences of elastic foundation parameters, various thermal environments, small scale parameter, material composition and the plate geometrical parameters on buckling characteristics of the FG nanoplate. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling can provide accurate results of the FG nanoplates as compared some cases in the literature. Numerical examples show that the buckling characteristics of the FG nanoplate are related to the material composition, temperature distribution, elastic foundation parameters, nonlocality effects and the different loading conditions.
In this manuscript, buckling response of the functionally graded material (FGM) nanoplate is investigated. Two opposite edges of nanoplate is under linear and nonlinear varying normal stresses. The small-scale effect is considered by Eringen's nonlocal theory. Governing equation are derived by nonlocal theory and Hamilton's principle. Navier's method is used to solve governing equation in simply boundary conditions. The obtained results exactly match the available results in the literature. The results of this research show the important role of nonlocal effect in buckling and stability behavior of nanoplates. In order to study the FG-index effect and different loading condition effects on buckling of rectangular nanoplate, Navier's method is applied and results are presented in various figures and tables.
Nonlocal elasticity and Reddy plant theory are used to study the vibration response of functionally graded (FG) nanoplates resting on two parameters elastic medium called Pasternak foundation. Nonlocal higher order theory accounts for the effects of both scale and the effect of transverse shear deformation, which becomes significant where stocky and short nanoplates are concerned. It is assumed that the properties of FG nanoplate follow a power law through the thickness. In addition, Poisson's ratio is assumed to be constant in this model. Both Winkler-type and Pasternak-type foundation models are employed to simulate the interaction of nanoplate with surrounding elastic medium. Using Hamilton's principle, size-dependent governing differential equations of motion and corresponding boundary conditions are derived. A differential quadrature approach is being utilized to discretize the model and obtain numerical solutions for various boundary conditions. The model is validated by comparing the results with other published results.
Mohammad Hosseini;Parisa Chahargonbadizade;Mohammadreza Mofidi
Structural Engineering and Mechanics
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제88권4호
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pp.335-354
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2023
In this study, analysis of wave propagation characteristics for functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) nanoplates is performed using first-order shear deformation theory (FSDT) and nonlocal strain gradient theory. Uniform distribution (UD) and three types of functionally graded distributions of carbon nanotubes (CNTs) are assumed. The effective mechanical properties of the FG-CNTRC nanoplate are assumed to vary continuously in the thickness direction and are approximated based on the rule of mixture. Also, the governing equations of motion are derived via the extended Hamilton's principle. In numerical examples, the effects of nonlocal parameter, wavenumber, angle of wave propagation, volume fractions, and carbon nanotube distributions on the wave propagation characteristics of the FG-CNTRC nanoplate are studied. As represented in the results, it is clear that the internal length-scale parameter has a remarkable effect on the wave propagation characteristics resulting in significant changes in phase velocity and natural frequency. Furthermore, it is observed that the strain gradient theory yields a higher phase velocity and frequency compared to those obtained by the nonlocal strain gradient theory and classic theory.
In this paper, thermal vibration of a nonlocal functionally graded (FG) plates with arbitrary boundary conditions under linear and non-linear temperature fields is explored by developing a refined shear deformation plate theory with an inverse cotangential function in which shear deformation effect was involved without the need for shear correction factors. The material properties of FG nanoplate are considered to be temperature-dependent and graded in the thickness direction according to the Mori-Tanaka model. On the basis of non-classical higher order plate model and Eringen's nonlocal elasticity theory, the small size influence was captured. Numerical examples show the importance of non-uniform thermal loadings, boundary conditions, gradient index, nonlocal parameter and aspect and side-to-thickness ratio on vibrational responses of size-dependent FG nanoplates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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