In this paper, an asymptotic method is employed to formulate nano- or micro-beams based on strain gradient elasticity. Although a basic theory for the strain gradient elasticity has been well established in literature, a systematic approach is relatively rare because of its complexity and ambiguity of higher-order elasticity coefficients. In order to systematically identify the strain gradient effect, an asymptotic approach is adopted by introducing the small parameter which represents the beam geometric slenderness and/or the internal atomistic characteristic. The approach allows us to systematically split the two-dimensional strain gradient elasticity into the microscopic one-dimensional through-the-thickness analysis and the macroscopic one-dimensional beam analysis. The first-order beam problem turns out to be different from the classical elasticity in terms of the bending stiffness, which comes from the through-the-thickness strain gradient effect. This subsequently affects the second-order transverse shear stress in which the surface shear stress exists. It is demonstrated that a careful derivation of a first strain gradient elasticity embraces "Gurtin-Murdoch traction" as the surface effect of a one-dimensional Euler-Bernoulli-like beam model.
본 논문에서는 평활화 유한요소법(Smoothed finite element method)을 도입한 응력 기반 구배 탄성론(Gradient elasticity)의 2차원 경계치 문제에 대한 연구를 수행하였다. 구배 탄성론은 기존 탄성론에서는 표현할 수 없는 미소규모의 크기 의존적인 기계적 거동을 설명하기 위해 제안되었다. 구배 탄성체론에서 고차 미분 방정식을 두 개의 2차 미분 방정식으로 분할하는 Ru-Aifantis 이론을 사용하기 때문에 평활화 유한요소법에 적용이 가능하게 된다. 본 연구에서 경계치 문제를 해결하기 위해 평활화 유한 요소 프레임워크에 스태거드 방식(Staggered scheme)을 사용하여 국부 변위장과 비국부 응력장을 평활화 영역 및 요소에서 각각 계산하였다. 구배 탄성에서 중요한 변수인 내부 길이 척도의 영향을 측정하기 위해 일련의 수치 예제를 수행하였다. 수치 해석 결과는 제안한 기법이 내부 길이 척도에 따라 균열 선단과 전위 선에 나타나는 응력 집중을 완화할 수 있음을 보여준다.
The buckling problem of linearly tapered micro-columns is investigated on the basis of modified strain gradient elasticity theory. Bernoulli-Euler beam theory is used to model the non-uniform micro column. Rayleigh-Ritz solution method is utilized to obtain the critical buckling loads of the tapered cantilever micro-columns for different taper ratios. Some comparative results for the cases of rectangular and circular cross-sections are presented in graphical and tabular form to show the differences between the results obtained by modified strain gradient elasticity theory and those achieved by modified couple stress and classical theories. From the results, it is observed that the differences between critical buckling loads achieved by classical and those predicted by non-classical theories are considerable for smaller values of the ratio of the micro-column thickness (or diameter) at its bottom end to the additional material length scale parameters and the differences also increase due to increasing of the taper ratio.
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.
Gradient elastic flexural beams are dynamically analysed by analytic means. The governing equation of flexural beam motion is obtained by combining the Bernoulli-Euler beam theory and the simple gradient elasticity theory due to Aifantis. All possible boundary conditions (classical and non-classical or gradient type) are obtained with the aid of a variational statement. A wave propagation analysis reveals the existence of wave dispersion in gradient elastic beams. Free vibrations of gradient elastic beams are analysed and natural frequencies and modal shapes are obtained. Forced vibrations of these beams are also analysed with the aid of the Laplace transform with respect to time and their response to loads with any time variation is obtained. Numerical examples are presented for both free and forced vibrations of a simply supported and a cantilever beam, respectively, in order to assess the gradient effect on the natural frequencies, modal shapes and beam response.
Multigrid method and acceleration by conjugate gradient method for first-order system least squares (FOSLS) using bilinear finite elements are developed for various boundary value problems of planar linear elasticity. They are two-stage algorithms that first solve for the displacement flux variable, then for the displacement itself. This paper focuses on solving for the displacement flux variable only. Numerical results show that the convergence is uniform even as the material becomes nearly incompressible. Computations for convergence factors and discretization errors are included. Heuristic arguments to improve the convergences are discussed as well.
This article investigates the longitudinal vibration of a nanorod embedded in viscoelastic medium according to the nonlocal strain gradient theory. Viscoelastic medium is considered based on Kelvin-Voigt model. Governing partial differential equation is derived based on longitudinal equilibrium and analytical solution is obtained by adopting harmonic motion solution for the nanorod. Modal frequencies and corresponding damping ratios are presented to demonstrate the influences of nonlocal parameter, material length scale, elastic and damping parameters of the viscoelastic medium. It is observed that material length scale parameter is very influential on modal frequencies especially at lower values of nonlocal parameter whereas increase in length scale parameter has less effect at higher values of nonlocal parameter when the medium is purely elastic. Elastic stiffness and damping coefficient of the medium have considerable impacts on modal frequencies and damping ratios, and the highest impact of these parameters on frequency and damping ratio is seen in the first mode. Results calculated based on strain gradient theory are quite different from those calculated based on classical elasticity theory. Hence, nonlocal strain gradient theory including length scale parameter can be used to get more accurate estimations of frequency response of nanorods embedded in viscoelastic medium.
In this paper, for the first time based on the nonlocal strain gradient theory the effect of size dependency in torsional vibration of bi-direction functionally graded (FG) nonlinear nano-cone is study. The material properties were assumed to vary according to the arbitrary function in radial and axial directions. The Navier equation and boundary conditions of the size-dependent bidirectional FG nonlinear nano-cone were derived by Hamilton's principle. These equations were solved by employing the generalized differential quadrature method (GDQM). The presented model can turn into the classical model if the material length scale parameters are taken to be zero. The effects of some parameters, such as inhomogeneity constant, cross-sectional area parameter and small-scale parameters, were studied. As an essential result of this study can be stated that an FG nano-cone model based on the nonlocal elasticity theory behaves softer and based on the strain gradient theory behaves harder.
Ismail Esen;Mashhour A. Alazwari;Khalid H. Almitani;Mohamed A Eltaher;A. Abdelrahman
Advances in nano research
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제14권5호
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pp.475-493
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2023
In the context of nonclassical nonlocal strain gradient elasticity, this article studies the free and forced responses of functionally graded material (FGM) porous nanoplates exposed to thermal and magnetic fields under a moving load. The developed mathematical model includes shear deformation, size-scale, miscorstructure influences in the framework of higher order shear deformation theory (HSDT) and nonlocal strain gradient theory (NSGT), respectively. To explore the porosity effect, the study considers four different porosity models across the thickness: uniform, symmetrical, asymmetric bottom, and asymmetric top distributions. The system of quations of motion of the FGM porous nanoplate, including the effects of thermal load, Lorentz force, due to the magnetic field and moving load, are derived using the Hamilton's principle, and then solved analytically by employing the Navier method. For the free and forced responses of the nanoplate, the effects of nonlocal elasticity, strain gradient elasticity, temperature rise, magnetic field intensity, porosity volume fraction, and porosity distribution are analyzed. It is found that the forced vibrations of FGM porous nanoplates under thermal and live loads can be damped by applying a directed magnetic field.
Shariati, Ali;Ebrahimi, Farzad;Karimiasl, Mahsa;Vinyas, M.;Toghroli, Ali
Advances in nano research
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제8권1호
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pp.49-58
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2020
This paper investigates the vibration characteristics of flexoelectric nanobeams resting on viscoelastic foundation and subjected to magneto-electro-viscoelastic-hygro-thermal (MEVHT) loading. In this regard, the Nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) is employed. The proposed formulation accommodates the nonlocal stress and strain gradient parameter along with the flexoelectric coefficient to accurately predict the frequencies. Further, with the aid of Hamilton's principle the governing differential equations are derived which are then solved through Galerkin-based approach. The variation of the natural frequency of MEVHT nanobeams under the influence of various parameters such as the nonlocal strain gradient parameter, different field loads, power-law exponent and slenderness ratio are also investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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