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.
Putting emphasis on the effect of existence of porosity in the functionally graded materials (FGMs) on the dynamic responses of waves scattered in FG nanobeams resulted in implementation of a novel porosity-based homogenization method for FGMs and show its applicability in a wave propagation problem in the presence of axial pre-load for the first time. In the employed porosity-dependent method, the coupling between density and Young's moduli is included to consider for the effective moduli of the FG nanobeam by the means of a more reliable homogenization technique. The beam-type element will be modeled via the classical theory of beams, namely Euler-Bernoulli beam theory. Also, the dynamic form of the principle of virtual work will be extended for such nanobeams to derive the motion equations. Applying the nonlocal constitutive equations of Eringen on the obtained motion equations will be resulted in derivation of the nanobeam's governing equations. Depicted results reveal that the dispersion responses of FG nanobeams will be decreased as the porosity volume fraction is increased which must be noticed by the designers of advanced nanosize devices who are interested in employment of wave dispersion approach in continuous systems for specific goals.
This paper presents an efficient higher-order nonlocal beam theory for the Critical buckling, of functionally graded (FG) nanobeams with porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FG) during their fabrication, the nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen. The material properties of (FG) nanobeams with porosities are assumed to vary through the thickness according to a power law. The governing equations of the functionally graded nanobeams with porosities are derived by employing Hamilton's principle. Analytical solutions are presented for a simply supported FG nanobeam with porosities. The validity of this theory is studied by comparing some of the present results with other higher-order theories reported in the literature, Illustrative examples are given also to show the effects of porosity volume fraction, and thickness to length ratios on the critical buckling of the FG beams.
We in this paper study nonlinear bending of a functionally graded porous nanobeam subjected to multiple physical load based on the nonlocal strain gradient theory. For more reasonable analysis of nanobeams made of porous functionally graded magneto-thermo-electro-elastic materials (PFGMTEEMs), both constituent materials and the porosity appear gradient distribution in the present expression of effective material properties, which is much more suitable to the actual compared with the conventional expression of effective material properties. Besides the displacement function regarding physical neutral surface is introduced to analyze mechanical behaviors of beams made of FGMs. Then we derive nonlinear governing equations of PFGMTEEMs beams using the principle of Hamilton. To obtain analytical solutions, a two-step perturbation method is developed in nonuniform electric field and magnetic field, and then we use it to solve nonlinear equations. Finally, the analytical solutions are utilized to perform a parametric analysis, where the effect of various physical parameters on static bending deformation of nanobeams are studied in detail, such as the nonlocal parameter, strain gradient parameter, the ratio of nonlocal parameter to strain gradient parameter, porosity volume fraction, material volume fraction index, temperature, initial magnetic potentials and external electric potentials.
Mohammad Gholami;Mojtaba Gorji Azandariani;Ahmed Najat Ahmed;Hamid Abdolmaleki
Advances in nano research
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제14권2호
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pp.127-139
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2023
This paper studies the free vibration behavior of bi-dimensional functionally graded (BFG) nanobeams subjected to arbitrary boundary conditions. According to Eringen's nonlocal theory and Hamilton's principle, the underlying equations of motion have been obtained for BFG nanobeams. Moreover, the variable substitution method is utilized to establish the structure's state-space differential equations, followed by forming the dynamic stiffness matrix based on state-space differential equations. In order to compute the natural frequencies, the current study utilizes the Wittrick-Williams algorithm as a solution technique. Moreover, the nonlinear vibration frequencies calculated by employing the proposed method are compared to the frequencies obtained in previous studies to evaluate the proposed method's performance. Some illustrative numerical examples are also given in order to study the impacts of the nonlocal parameters, material property gradient indices, nanobeam length, and boundary conditions on the BFG nanobeam's frequency. It is found that reducing the nonlocal parameter will usually result in increased vibration frequencies.
In this paper, frequency analysis of curved functionally graded (FG) nanobeam by consideration of deepness effect has been studied. Differential transform method (DTM) has been used to obtain frequency responses. The nonlocal theory of Eringen has been applied to consider nanoscales. Material properties are supposed to vary in radial direction according to power-law distribution. Differential equations and related boundary conditions have been derived using Hamilton's principle. Finally, by consideration of nonlocal theory, the governing equations have been derived. Natural frequencies have been obtained using semi analytical method (DTM) for different boundary conditions. In order to study the effect of deepness, the deepness term is considered in strain field. The effects of the gradient index, radius of curvature, the aspect ratio, the nonlocal parameter and interaction of aforementioned parameters on frequency value for different boundary conditions such as clamped-clamped (C-C), clamped-hinged (C-H), and clamped-free (C-F) have been investigated. In addition, the obtained results are compared with the results in previous literature in order to validate present study, a good agreement was observed in the present results.
The previous studies reflected the significant effect of neutral-axis position and coupling of in-plane and out-of-plane displacements on behavior of functionally graded (FG) nanobeams. In thin FG beam, this coupling can be eliminated by a proper choice of the reference axis. In shear deformable FG nanobeam, not only this coupling can't be eliminated but also the position of neutral-axis is dependent on through-thickness distribution of shear strain. For the first time, in this paper it is avoided to guess a shear strain shape function and the exact shape function and consequently the exact position of neutral axis for arbitrary gradation of higher order nanobeam are obtained. This paper presents new methodology based on differential transform and collocation methods to solve coupled partial differential equations of motion without any simplifications. Using exact position of neutral axis and higher order beam kinematics as well as satisfying equilibrium equations and traction-free conditions without shear correction factor requirement yields to better results in comparison to the previously published results in literature. The classical rule of mixture and Mori-Tanaka homogenization scheme are considered. The Eringen's nonlocal continuum theory is applied to capture the small scale effects. For the first time, the dependency of exact position of neutral axis on length to thickness ratio is investigated. The effects of small scale, length to thickness ratio, Poisson's ratio, inhomogeneity of materials and various end conditions on vibration and buckling of local and nonlocal FG beams are investigated. Moreover, the effect of axial load on natural frequencies of the first modes is examined. After degeneration of the governing equations, the exact new formulas for homogeneous nanobeams are computed.
Ahmed Drai;Ahmed Amine Daikh;Mohamed Oujedi Belarbi;Mohammed Sid Ahmed Houari;Benoumer Aour;Amin Hamdi;Mohamed A. Eltaher
Advances in nano research
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제14권3호
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pp.211-224
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2023
This work presents a modified analytical model for the bending behavior of axially functionally graded (AFG) carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) nanobeams. New higher order shear deformation beam theory is exploited to satisfy parabolic variation of shear through thickness direction and zero shears at the bottom and top surfaces.A Modified continuum nonlocal strain gradient theoryis employed to include the microstructure and the geometrical nano-size length scales. The extended rule of the mixture and the molecular dynamics simulations are exploited to evaluate the equivalent mechanical properties of FG-CNTRC beams. Carbon nanotubes reinforcements are distributed axially through the beam length direction with a new power graded function with two parameters. The equilibrium equations are derived with associated nonclassical boundary conditions, and Navier's procedure are used to solve the obtained differential equation and get the response of nanobeam under uniform, linear, or sinusoidal mechanical loadings. Numerical results are carried out to investigate the impact of inhomogeneity parameters, geometrical parameters, loadings type, nonlocal and length scale parameters on deflections and stresses of the AFG CNTRC nanobeams. The proposed model can be used in the design and analysis of MEMS and NEMS systems fabricated from carbon nanotubes reinforced composite nanobeam.
Ali Alnujaie;Alaa A. Abdelrahman;Abdulrahman M. Alanasari;Mohamed A. Eltaher
Steel and Composite Structures
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제49권4호
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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.
Mustafa Oguz Nalbant;Suleyman Murat Bagdatli;Ayla Tekin
Advances in nano research
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제15권3호
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pp.215-224
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2023
Nonlinearity plays an important role in control systems and the application of design. For this reason, in addition to linear vibrations, nonlinear vibrations of the stepped nanobeam are also discussed in this manuscript. This study investigated the vibrations of stepped nanobeams according to Eringen's nonlocal elasticity theory. Eringen's nonlocal elasticity theory was used to capture the nanoscale effect. The nanoscale stepped Euler Bernoulli beam is considered. The equations of motion representing the motion of the beam are found by Hamilton's principle. The equations were subjected to nondimensionalization to make them independent of the dimensions and physical structure of the material. The equations of motion were found using the multi-time scale method, which is one of the approximate solution methods, perturbation methods. The first section of the series obtained from the perturbation solution represents a linear problem. The linear problem's natural frequencies are found for the simple-simple boundary condition. The second-order part of the perturbation solution is the nonlinear terms and is used as corrections to the linear problem. The system's amplitude and phase modulation equations are found in the results part of the problem. Nonlinear frequency-amplitude, and external frequency-amplitude relationships are discussed. The location of the step, the radius ratios of the steps, and the changes of the small-scale parameter of the theory were investigated and their effects on nonlinear vibrations under simple-simple boundary conditions were observed by making comparisons. The results are presented via tables and graphs. The current beam model can assist in designing and fabricating integrated such as nano-sensors and nano-actuators.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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