This paper presents the dynamic instability analysis of un-damped elastically supported piezoelectric functionally graded (FG) beams subjected to in-plane static and dynamic periodic thermomechanical loadings with uncertain system properties. The elastic foundation model is assumed as one parameter Pasternak foundation with Winkler cubic nonlinearity. The piezoelectric FG beam is subjected to non-uniform temperature distribution with temperature dependent material properties. The Young's modulus and Poison's ratio of ceramic, metal and piezoelectric, density of respective ceramic and metal, volume fraction exponent and foundation parameters are taken as uncertain system properties. The basic nonlinear formulation of the beam is based on higher order shear deformation theory (HSDT) with von-Karman strain kinematics. The governing deterministic static and dynamic random instability equation and regions is solved by Bolotin's approach with Newmark's time integration method combined with first order perturbation technique (FOPT). Typical numerical results in terms of the mean and standard deviation of dynamic instability analysis are presented to examine the effect of slenderness ratios, volume fraction exponents, foundation parameters, amplitude ratios, temperature increments and position of piezoelectric layers by changing the random system properties. The correctness of the present stochastic model is examined by comparing the results with direct Monte Caro simulation (MCS).
In this present paper, a semi-analytical mesh-free method is employed for the three-dimensional free vibration analysis of a bi-directional functionally graded piezoelectric circular structure. The dependent variables have been expanded by Fourier series with respect to the circumferential direction and have been discretized through radial and axial directions based on the mesh-free shape function. The current approach has a distinct advantage. The nonlinear Green-Lagrange strain is employed as the relationship between strain and displacement fields to observe thermal impacts in stiffness matrices. Nevertheless, high order terms have been neglected at the final steps of equations driving. The material properties are assumed to vary continuously in both radial and axial directions simultaneously in accordance with a power law distribution. The convergence and validation studies are conducted by comparing our proposed solution with available published results to investigate the accuracy and efficiency of our approach. After the validation study, a parametric study is undertaken to investigate the temperature effects, different types of polarization, mechanical and electric boundary conditions and geometry parameters of structures on the natural frequencies of functionally graded piezoelectric circular structures.
Karami, Behrouz;Shahsavari, Davood;Nazemosadat, Seyed Mohammad Reza;Li, Li;Ebrahimi, Arash
Steel and Composite Structures
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v.29
no.3
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pp.349-362
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2018
Thermal buckling behavior of porous functionally graded nanobeam integrated with piezoelectric sensor and actuator based on the nonlocal higher-order shear deformation beam theory is investigated for the first time. Its material properties are assumed to be temperature-dependent and varying along the thickness direction according to the modified power-law rule. Note that the porosity with even type is considered herein. The equations of motion are obtained through Hamilton's principle. The influences of several parameters (such as type of temperature distribution, external electric voltage, material composition, porosity, small-scale effect, Ker foundation parameters, and beam thickness) on the thermal buckling of FG nanobeam are investigated in detail.
Active control of nonlinear vibration of stiffened functionally graded (SFG) cylindrical shell is studied in this paper. The system is subjected to axial and transverse periodic loads in the presence of thermal uncertainty. The material composition is considered to be continuously graded in the thickness direction, also these properties depend on temperature. The relations of strain-displacement are derived based on the classical shell theory and the von Kármán equations. For modeling the stiffeners on the cylindrical shell surface, the smeared stiffener technique is used. The Galerkin method is used to discretize the partial differential equations of motion. Some comparisons are made to validate the SFG model. For suppression of the nonlinear vibration, the linear and nonlinear control strategies are applied. For control objectives, the piezoelectric actuator is attached to the external surface of the shell and the thin ring piezoelectric sensor is attached to the middle internal surface of shell. The effect of PID, feedback linearization and sliding mode control on the suppression of vibration for SFG cylindrical shell is presented.
The Rayleigh wave propagation is considered in the structure of the functionally graded piezoelectric material (FGPM) layer over the elastic substrate. The elastic substrate loosely bonds the layer through a corrugated interface, whereas its upper boundary is also corrugated but stress-free. Additionally, the solutions for the FGPM layer and substrate are derived using the fundamental variable separable approach to convert the partial differential equation to an ordinary differential equation. The results with boundary conditions lead to dispersion relations for the electrically open and electrically short cases in the determinant form. The outcomes have been numerically analyzed using a specific model. The findings were presented in the form of graphs, which were created using Mathematica 7. Graphs are plotted for variations in wavenumber and phase velocity. The outcomes may help measure interface defects and design Surface Acoustic Wave (SAW) devices.
To peruse the free vibration of curved functionally graded piezoelectric (FGP) nanosize beam in thermal environment, nonlocal elasticity theory is applied for modeling the nano scale effect. The governing equations are obtained via the energy method. Analytically Navier solution is employed to solve the governing equations for simply supported boundary conditions. Solving these equations enables us to estimate the natural frequency for curved FGP nanobeam under the effect of a uniform temperature change and external electric voltage. The results determined are verified by comparing the results by available ones in literature. The effects of various parameters such as nonlocality, uniform temperature changes, external electric voltage, gradient index, opening angle and aspect ratio of curved FGP nanobeam on the natural frequency are successfully discussed. The results revealed that the natural frequency of curved FGP nanobeam is significantly influenced by these effects.
This research deals with the wave dispersion analysis of functionally graded double-layered nanobeam systems (FG-DNBSs) considering the piezoelectric effect based on nonlocal strain gradient theory. The nanobeam is modeled via Euler-Bernoulli beam theory. Material properties are considered to change gradually along the nanobeams' thickness on the basis of the rule of mixture. By implementing a Hamiltonian approach, the Euler-Lagrange equations of piezoelectric FG-DNBSs are obtained. Furthermore, applying an analytical solution, the dispersion relations of smart FG-DNBSs are derived by solving an eigenvalue problem. The effects of various parameters such as nonlocality, length scale parameter, interlayer stiffness, applied electric voltage, relative motions and gradient index on the wave dispersion characteristics of nanoscale beam have been investigated. Also, validity of reported results is proven in the framework of a diagram showing the convergence of this model's curve with that of a previous published attempt.
In this research, beside presenting real images of produced Functionally Graded Carbon Nanotube-Reinforced Composites (FG-CNTRCs) and a brief review of the synthesis method of FG-CNTRCs, static and buckling analysis of FG-CNTRC with piezoelectric layers are investigated. It is assumed that the material properties of FG-CNTRC are varied through the thickness direction using four different distributions of Carbon Nanotubes (CNTs). To capture the size effects, nonlocal elasticity theory proposed by A.C. Eringen is also adopted in our model. One of the topics in our paper is using a higher order theory with eight different displacement fields and comparing their results with each other. To solve the governing equations, an analytical method is used to find the deflections and critical buckling loads of FG-CNTRCs. To show the accuracy of present methodology, our results are compared with the results of simply supported rectangular nano plates available in the literature. In this research, the effects of aspect ratio, piezoelectric layer and nonlocal parameter are also studied. It is hoped that this work leads to more accurate models on FG-CNTRC.
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.
This disquisition proposes a nonlocal strain gradient beam theory for thermo-mechanical dynamic characteristics of embedded smart shear deformable curved piezoelectric nanobeams made of porous electro-elastic functionally graded materials by using an analytical method. Electro-elastic properties of embedded curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary through the thickness direction of beam according to the power-law which is modified to approximate material properties for even distributions of porosities. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, so in this study thermo-mechanical vibration analysis of curve FG piezoelectric nanobeam by considering the effect of these imperfections is performed. Nonlocal strain gradient elasticity theory is utilized to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field. The governing equations and related boundary condition of embedded smart curved porous FG nanobeam subjected to thermal and electric field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved piezoelectric nanobeam resting on Winkler and Pasternak foundation. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, electric voltage, coefficient of porosity, elastic foundation parameters, thermal effect, gradient index, strain gradient, elastic opening angle and slenderness ratio on the natural frequency of embedded curved FG porous piezoelectric nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play important roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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