In this paper, the effect of deepness on in-plane free vibration behavior of a curved functionally graded (FG) nanobeam based on nonlocal elasticity theory has been investigated. Differential equations and boundary conditions have been developed based on Hamilton's principle. In order to figure out the size effect, nonlocal theory has been adopted. Properties of material vary in radial direction. By using Navier solution technique, the amount of natural frequencies has been obtained. Also, to take into account the deepness effect on vibrations, thickness to radius ratio has been considered. Differences percentage between results of cases in which deepness effect is included and excluded are obtained and influences of power-law exponent, nonlocal parameter and arc angle on these differences percentage are studied. Results show that arc angle and power law exponent parameters have the most influences on the amount of the differences percentage due to deepness effect. It has been observed that the inclusion of geometrical deep term and material distribution results in an increase in sensitivity of dimensionless natural frequency about variation of aforementioned parameters and a change in variation range of natural frequency. Finally, several numerical results of deep and shallow curved functionally graded nanobeams with different geometry dimensions are presented, which may serve as benchmark solutions for the future research in this field.
Daikh, Ahmed Amine;Drai, Ahmed;Houari, Mohamed Sid Ahmed;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.36
no.6
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pp.643-656
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2020
This article presents a comprehensive static analysis of simply supported cross-ply carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) laminated nanobeams under various loading profiles. The nonlocal strain gradient constitutive relation is exploited to present the size-dependence of nano-scale. New higher shear deformation beam theory with hyperbolic function is proposed to satisfy the zero-shear effect at boundaries and parabolic variation through the thickness. Carbon nanotubes (CNTs), as the reinforced elements, are distributed through the beam thickness with different distribution functions, which are, uniform distribution (UD-CNTRC), V- distribution (FG-V CNTRC), O- distribution (FG-O CNTRC) and X- distribution (FG-X CNTRC). The equilibrium equations are derived, and Fourier series function are used to solve the obtained differential equation and get the response of nanobeam under uniform, linear or sinusoidal mechanical loadings. Numerical results are obtained to present influences of CNTs reinforcement patterns, composite laminate structure, nonlocal parameter, length scale parameter, geometric parameters on center deflection ad stresses of CNTRC laminated nanobeams. The proposed model is effective in analysis and design of composite structure ranging from macro-scale to nano-scale.
Mirjavadi, Seyed Sajad;Nikookar, Mohammad;Mollaee, Saeed;Forsat, Masoud;Barati, Mohammad Reza;Hamouda, A.M.S.
Advances in nano research
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v.9
no.1
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pp.47-58
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2020
The present paper deals with analyzing nonlinear forced vibrational behaviors of nonlocal multi-phase piezo-magnetic beam rested on elastic substrate and subjected to an excitation of elliptic type. The applied elliptic force may be presented as a Fourier series expansion of Jacobi elliptic functions. The considered multi-phase smart material is based on a composition of piezoelectric and magnetic constituents with desirable percentages. Additionally, the equilibrium equations of nanobeam with piezo-magnetic properties are derived utilizing Hamilton's principle and von-Kármán geometric nonlinearity. Then, an exact solution based on Jacobi elliptic functions has been provided to obtain nonlinear vibrational frequencies. It is found that nonlinear vibrational behaviors of the nanobeam are dependent on the magnitudes of induced electrical voltages, magnetic field intensity, elliptic modulus, force magnitude and elastic substrate parameters.
Semmah, Abdelwahed;Beg, O. Anwar;Mahmoud, S.R.;Heireche, Houari;Tounsi, Abdelouahed
Advances in materials Research
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v.3
no.2
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pp.77-89
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2014
In the present article, the thermal buckling of zigzag single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) is studied using a nonlocal refined shear deformation beam theory and Von-Karman geometric nonlinearity. The model developed simulates both small scale effects and higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the nanobeam. Furthermore the present formulation also accommodates stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the nanobeam. A shear correction factor, therefore, is not required. The equivalent Young's modulus and shear modulus for zigzag SWCNTs are derived using an energy-equivalent model. The present study illustrates that the thermal buckling properties of SWCNTs are strongly dependent on the scale effect and additionally on the chirality of zigzag carbon nanotube. Some illustrative examples are also presented to verify the present formulation and solutions. Good agreement is observed.
In this paper, free vibration characteristics of functionally graded (FG) nanobeams embedded on elastic medium are investigated based on third order shear deformation (Reddy) beam theory by presenting a Navier type solution for the first time. The material properties of FG nanobeam are assumed to vary gradually along the thickness and are estimated through the power-law and Mori-Tanaka models. A two parameters elastic foundation including the linear Winkler springs along with the Pasternak shear layer is in contact with beam. The small scale effect is taken into consideration based on nonlocal elasticity theory of Eringen. The nonlocal equations of motion are derived based on third order shear deformation beam theory through Hamilton's principle and they are solved applying analytical solution. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling can provide accurate frequency results of the FG nanobeams as compared to some cases in the literature. The obtained results are presented for the vibration analysis of the FG nanobeams such as the influences of foundation parameters, gradient index, nonlocal parameter and slenderness ratio in detail.
In this paper, the thermo-mechanical vibration characteristics of functionally graded (FG) nanobeams subjected to three types of thermal loading including uniform, linear and non-linear temperature change are investigated in the framework of third-order shear deformation beam theory which captures both the microstructural and shear deformation effects without the need for any shear correction factors. Material properties of FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary gradually along the thickness according to the power-law form. Hence, applying a third-order shear deformation beam theory (TSDBT) with more rigorous kinetics of displacements to anticipate the behaviors of FG nanobeams is more appropriate than using other theories. The small scale effect is taken into consideration based on nonlocal elasticity theory of Eringen. The nonlocal equations of motion are derived through Hamilton's principle and they are solved applying analytical solution. The obtained results are compared with those predicted by the nonlocal Euler-Bernoulli beam theory and nonlocal Timoshenko beam theory and it is revealed that the proposed modeling can accurately predict the vibration responses of FG nanobeams. The obtained results are presented for the thermo-mechanical vibration analysis of the FG nanobeams such as the effects of material graduation, nonlocal parameter, mode number, slenderness ratio and thermal loading in detail. The present study is associated to aerospace, mechanical and nuclear engineering structures which are under thermal loads.
In this paper, free vibration of functionally graded (FG) size-dependent nanobeams is studied within the framework of nonlocal Timoshenko beam model. It is assumed that material properties of the FG nanobeam, vary continuously through the thickness according to a power-law form. The small scale effect is taken into consideration based on nonlocal elasticity theory of Eringen. The non-classical governing differential equations of motion are derived through Hamilton's principle and they are solved utilizing both Navier-based analytical method and an efficient and semi-analytical technique called differential transformation method (DTM). Various types of boundary conditions such as simply-supported, clamped-clamped, clamped-simply and clamped-free are assumed for edge supports. The good agreement between the presented DTM and analytical results of this article and those available in the literature validated the presented approach. It is demonstrated that the DTM has high precision and computational efficiency in the vibration analysis of FG nanobeams. The obtained results show the significance of the material graduation, nonlocal effect, slenderness ratio and boundary conditions on the vibration characteristics of FG nanobeams.
Almitani, Khalid H.;Abdelrahman, Alaa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.35
no.4
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pp.555-566
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2020
This paper aims to present an analytical methodology to investigate influences of nanoscale and surface energy on buckling stability behavior of perforated nanobeam structural element, for the first time. The surface energy effect is exploited to consider the free energy on the surface of nanobeam by using Gurtin-Murdoch surface elasticity theory. Thin and thick beams are considered by using both classical beam of Euler and first order shear deformation of Timoshenko theories, respectively. Equivalent geometrical constant of regularly squared perforated beam are presented in simplified form. Problem formulation of nanostructure beam including surface energies is derived in detail. Explicit analytical solution for nanoscale beams are developed for both beam theories to evaluate the surface stress effects and size-dependent nanoscale on the critical buckling loads. The closed form solution is confirmed and proven by comparing the obtained results with previous works. Parametric studies are achieved to demonstrate impacts of beam filling ratio, the number of hole rows, surface material characteristics, beam slenderness ratio, boundary conditions as well as loading conditions on the non-classical buckling of perforated nanobeams in incidence of surface effects. It is found that, the surface residual stress has more significant effect on the critical buckling loads with the corresponding effect of the surface elasticity. The proposed model can be used as benchmarks in designing, analysis and manufacturing of perforated nanobeams.
In this paper, a simple and refined nonlocal hyperbolic higher-order beam theory is proposed for bending and vibration response of nanoscale beams. The present formulation incorporates the nonlocal scale parameter which can capture the small scale effect, and it considers both shear deformation and thickness stretching effects by a hyperbolic variation of all displacements across the thickness without employing shear correction factor. The highlight of this formulation is that, in addition to modeling the displacement field with only two unknowns, the thickness stretching effect (${\varepsilon}_z{\neq}0$) is also included in the present model. By utilizing the Hamilton's principle and the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion of the nanoscale beam are reformulated. Verification studies demonstrate that the developed theory is not only more accurate than the refined nonlocal beam theory, but also comparable with the higher-order shear deformation theories which contain more number of unknowns. The theoretical formulation proposed herein may serve as a reference for nonlocal theories as applied to the static and dynamic responses of complex-nanobeam-system such as complex carbon nanotube system.
In this paper, unified nonlocal shear deformation theory is proposed to study bending, buckling and free vibration of nanobeams. This theory is based on the assumption that the in-plane and transverse displacements consist of bending and shear components in which the bending components do not contribute toward shear forces and, likewise, the shear components do not contribute toward bending moments. In addition, this present model is capable of capturing both small scale effect and transverse shear deformation effects of nanobeams, and does not require shear correction factors. The equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions for the deflection, buckling load, and natural frequency are presented for a simply supported nanobeam, and the obtained results are compared with those predicted by the nonlocal Timoshenko beam theory and Reddy beam theories.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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