In this study, free vibration analysis of FG porous spherical cap reinforced by graphene platelets resting on Winkler-type elastic foundation has been surveyed for the first time. Three different types of porosity patterns are considered for the spherical cap whose two types of porosity patterns in the metal matrix are symmetric and the other one is uniform. Besides, five GPL patterns are assumed for dispersing of GPLs in the metal matrix. Tsai-Halpin and extended rule of the mixture are used to determine the Young modulus and mass density of the shell, respectively. Employing 3D FEM elasticity in conjunction with Hamilton's Principle, the governing motion equations of the structure are obtained and solved. The impact of various parameters including porosity coefficient, various porosity distributions in conjunction with different GPL patterns, the weight fraction of graphene Nano fillers, polar angles and stiffness coefficient of elastic foundation on natural frequencies of FG porous spherical cap reinforced by GPLs have been reported for the first time.
In the present study, the effects of thermal loading on the buckling and resonance frequency of graphene platelets (GPL) reinforced nano-composites are examined. Functionally graded (FG) material properties are considered in thickness direction for the thermal responses of the composite. The equivalent material properties are obtained using Halphin-Tsai nano-mechanical model for composite layers. Moreover, the effects of nano-scale sizes are taken into account, employing functionally modified couple stress (FMCS) parameter. In this regard, for the first time, it is demonstrated that at certain values of GPL weight fraction, thermal buckling occurs. In obtaining results of vibrational behavior, both analytical solution and deep neural network (DNN) methods are used. The DNN method needs low computational costs to predict the resonance behavior. A comprehensive parametric study is conducted to indicate the effects of several geometrical, material, and loading conditions on the vibrational and buckling behavior of cylindrical shell structures made of GPL-nanocomposites. It is shown that the effect of temperature change on the occurrence of buckling is vital while it has a negligible impact on the resonance frequency of the structure. Moreover, the size-dependency of the results is demonstrated, and it cannot be neglected in nano-scales.
The main objective of this paper is to develop the finite element study on the nonlinear free vibration of functionally graded nanocomposite spherical shells reinforced with graphene platelets under the first-order shear deformation shell theory and von Kármán nonlinear kinematic relations. The governing equations are presented by introducing the full asymmetric nonlinear strain-displacement relations followed by the constitutive relations and energy functional. The extended Halpin-Tsai model is utilized to specify the overall Young's modulus of the nanocomposite. Then, the finite element formulation is derived and the quadrilateral 8-node shell element is implemented for finite element discretization. The nonlinear sets of dynamic equations are solved by the use of the harmonic balance technique and iterative method to find the nonlinear frequency response. Several numerical examples are represented to highlight the impact of involved factors on the large-amplitude vibration responses of nanocomposite spherical shells. One of the main findings is that for some geometrical and material parameters, the fundamental vibrational mode shape is asymmetric and the axisymmetric formulation cannot be appropriately employed to model the nonlinear dynamic behavior of nanocomposite spherical shells.
Flexible strain sensors, as the core member of the family of smart electronic devices, along with reasonable sensing range and sensitivity plus low cost, have rose a huge consumer market and also immense interests in fundamental studies and technological applications, especially in the field of biomimetic robots movement detection and human health condition monitoring. In this paper, we propose a new flexible strain sensor based on thick CVD graphene film and its low-cost fabrication strategy by using the commercial adhesive tape as flexible substrate. The tensile tests in a strain range of ~30% were implemented, and a gage factor of 30 was achieved under high strain condition. The optical microscopic observation with different strains showed the evolution of cracks in graphene film. Together with commonly used platelet overlap theory and percolation network theory for sensor resistance modeling, we established an overlap destructive resistance model to analyze the sensing mechanism of our devices, which fitted the experimental data very well. The finding of difference of fitting parameters in small and large strain ranges revealed the multiple stage feature of graphene crack evolution. The resistance fallback phenomenon due to the viscoelasticity of flexible substrate was analyzed. Our flexible strain sensor with low cost and simple fabrication process exhibits great potential for commercial applications.
Natural frequency behavior of graphene platelets reinforced composite (GPL-RC) joined truncated conical-cylindrical- conical shells resting on Winkler-type elastic foundation is presented in this paper for the first time. The rule of mixture and the modified Halpin-Tsai approach are applied to achieve the mechanical properties of the structure. Four different graphene platelets patterns are considered along the thickness of the structure such as GPLA, GPLO, GPLX, GPLUD. Finite element procedure according to Rayleigh-Ritz formulation has been used to solve 2D-axisymmetric elasticity equations. Application of 2D axisymmetric elasticity theory allows thickness stretching unlike simple shell theories, and this gives more accurate results, especially for thick shells. An efficient parametric investigation is also presented to show the effects of various geometric variables, three different boundary conditions, stiffness of elastic foundation, dispersion pattern and weight fraction of GPLs nanofillers on the natural frequencies of the joined shell. Results show that GPLO and BC3 provide the most rigidity that cause the most natural frequencies among different BCs and GPL patterns. Also, by increasing the weigh fraction of nanofillers, the natural frequencies will increase up to 200%.
In this paper, buckling analyses of composite plate reinforced by Graphen platelate (GPL) is studied. The Halphin-Tsai model is used for obtaining the effective material properties of nano composite plate. The nano composite plate is modeled by Third order shear deformation theory (TSDT). The elastic medium is simulated by Winkler model. Employing nonlinear strains-displacements, stress-strain, the energy equations of plate are obtained and using Hamilton's principal, the governing equations are derived. The governing equations are solved based on Navier method. The effect of GPL volume percent, geometrical parameters of plate and elastic foundation on the buckling load are investigated. Results showed that with increasing GPLs volume percent, the buckling load increases.
In this article, free vibration behavior of electro-magneto-thermo sandwich Timoshenko beam made of porous core and Graphene Platelet Reinforced Composite (GPLRC) in a thermal environment is investigated. The governing equations of motion are derived by using the modified strain gradient theory for micro structures and Hamilton's principle. The magneto electro are under linear function along the thickness that contains magnetic and electric constant potentials and a cosine function. The effects of material length scale parameters, temperature change, various distributions of porous, different distributions of graphene platelets and thickness ratio on the natural frequency of Timoshenko beam are analyzed. The results show that an increase in aspect ratio, the temperature change, and the thickness of GPL leads to reduce the natural frequency; while vice versa for porous coefficient, volume fractions and length of GPL. Moreover, the effect of different size-dependent theories such as CT, MCST and MSGT on the natural frequency is investigated. It reveals that MSGT and CT have most and lowest values of natural frequency, respectively, because MSGT leads to increase the stiffness of micro Timoshenko sandwich beam by considering three material length scale parameters. It is seen that by increasing porosity coefficient, the natural frequency increases because both stiffness and mass matrices decreases, but the effect of reduction of mass matrix is more than stiffness matrix. Considering the piezo magneto-electric layers lead to enhance the stiffness of a micro beam, thus the natural frequency increases. It can be seen that with increasing of the value of WGPL, the stiffness of microbeam increases. As a result, the value of natural frequency enhances. It is shown that in hc/h = 0.7, the natural frequency for WGPL = 0.05 is 8% and 14% less than its for WGPL = 0.06 and WGPL = 0.07, respectively. The results show that with an increment in the length and width of GPLs, the natural frequency increases because the stiffness of micro structures enhances and vice versa for thickness of GPLs. It can be seen that the natural frequency for aGPL = 25 ㎛ and hc/h = 0.6 is 0.3% and 1% more than the one for aGPL = 5 ㎛ and aGPL = 1 ㎛, respectively.
Manufacture of nancomposites has simple process for developing nanocomposites due to the increasing applications using nanofillers. This work studied nanofiller coated glass fiber for reinforcing material with good wetting and conductivity and the morphology of nanofiller coated glass fiber was analyzed by FE-SEM. The durability of reinforced glass fiber was investigated with different shapes of nanofillers using sonication rinsing method. Fatigue test was performed to evaluate the adhesion of reinforcing interface and stability of nanofiller coating layer for single fiber reinforced composites. Apparent modulus and conductivity of nanofiller coating layer were evaluated to realize multifunctional of nanocomposites. Fiber type of nanofiller was better than plate type due to better cohesion between fiber and nanofillers. At last, the stability of fiber type nanofiller of coating layer has better durability and conductivity than plate type case.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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