Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad
Smart Structures and Systems
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v.20
no.3
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pp.329-342
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2017
In this paper, the dispersion characteristics of elastic waves propagation in sandwich nano-beams with functionally graded (FG) face-sheets reinforced with carbon nanotubes (CNTs) is investigated based on various high order shear deformation beam theories (HOSDBTs) as well as nonlocal strain gradient theory (NSGT). In order to align CNTs as symmetric and asymmetric in top and bottom face-sheets with respect to neutral geometric axis of the sandwich nano-beam, various patterns are employed in this analysis. The sandwich nano-beam resting on Pasternak foundation is subjected to thermal, magnetic and electrical fields. In order to involve small scale parameter in governing equations, the NSGT is employed for this analysis. The governing equations of motion are derived using Hamilton's principle based on various HSDBTs. Then the governing equations are solved using analytical method. A detailed parametric study is conducted to study the effects of length scale parameter, different HSDBTs, the nonlocal parameter, various aligning of CNTs in thickness direction of face-sheets, different volume fraction of CNTs, foundation stiffness, applied voltage, magnetic intensity field and temperature change on the wave propagation characteristics of sandwich nano-beam. Also cut-off frequency and phase velocity are investigated in detail. According to results obtained, UU and VA patterns have the same cut-off frequency value but AV pattern has the lower value with respect to them.
In this paper, three-dimensional (3D) elasticity theory in conjunction with nonlocal strain gradient theory (NSGT) is developed for mechanical analysis of anisotropic nanoparticles. The present model incorporates two scale coefficients to examine the mechanical characteristics much accurately. All the elastic constants are considered and assumed to be the functions of (r, ${\theta}$, ${\varphi}$), so all kind of anisotropic structures can be modeled. Moreover, all types of functionally graded spherical structures can be investigated. To justify our model, our results for the radial vibration of spherical nanoparticles are compared with experimental results available in the literature and great agreement is achieved. Next, several examples of the radial vibration and wave propagation in spherical nanoparticles including nonlocal strain gradient parameters are presented for more than 10 different anisotropic nanoparticles. From the best knowledge of authors, it is the first time that 3D elasticity theory and NSGT are used together with no approximation to derive the governing equations in the spherical coordinate. Moreover, up to now, the NSGT has not been used for spherical anisotropic nanoparticles. It is also the first time that all the 36 elastic constants as functions of (r, ${\theta}$, ${\varphi}$) are considered for anisotropic and functionally graded nanostructures including size effects. According to the lack of any common approximations in the displacement field or in elastic constant, present theory can be assumed as a benchmark for future works.
In the realm of nanotechnology, the nonlocal strain gradient theory takes center stage as it scrutinizes the behavior of spinning cantilever nanobeams and nanotubes, pivotal components supporting various mechanical movements in sport structures. The dynamics of these structures have sparked debates within the scientific community, with some contending that nonlocal cantilever models fail to predict dynamic softening, while others propose that they can indeed exhibit stiffness softening characteristics. To address these disparities, this paper investigates the dynamic response of a nonlocal cantilever cylindrical beam under the influence of external discontinuous dynamic loads. The study employs four distinct models: the Euler-Bernoulli beam model, Timoshenko beam model, higher-order beam model, and a novel higher-order tube model. These models account for the effects of functionally graded materials (FGMs) in the radial tube direction, giving rise to nanotubes with varying properties. The Hamilton principle is employed to formulate the governing differential equations and precise boundary conditions. These equations are subsequently solved using the generalized differential quadrature element technique (GDQEM). This research not only advances our understanding of the dynamic behavior of nanotubes but also reveals the intriguing phenomena of both hardening and softening in the nonlocal parameter within cantilever nanostructures. Moreover, the findings hold promise for practical applications, including drug delivery, where the controlled vibrations of nanotubes can enhance the precision and efficiency of medication transport within the human body. By exploring the multifaceted characteristics of nanotubes, this study not only contributes to the design and manufacturing of rotating nanostructures but also offers insights into their potential role in revolutionizing drug delivery systems.
Ahmed Amine Daikh;Ahmed Drai;Mohamed Ouejdi Belarbi;Mohammed Sid Ahmed Houari;Benoumer Aour;Mohamed A. Eltaher;Norhan A. Mohamed
Advances in nano research
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v.16
no.3
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pp.289-301
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2024
In this work, an analytical model employing a new higher-order shear deformation beam theory is utilized to investigate the bending behavior of axially randomly oriented functionally graded carbon nanotubes reinforced composite nanobeams. A modified continuum nonlocal strain gradient theory is employed to incorporate both microstructural effects and geometric nano-scale length scales. The extended rule of mixture, along with molecular dynamics simulations, is used to assess the equivalent mechanical properties of functionally graded carbon nanotubes reinforced composite (FG-CNTRC) beams. Carbon nanotube reinforcements are randomly distributed axially along the length of the beam. The equilibrium equations, accompanied by nonclassical boundary conditions, are formulated, and Navier's procedure is used to solve the resulting differential equation, yielding the response of the nanobeam under various mechanical loadings, including uniform, linear, and sinusoidal loads. Numerical analysis is conducted to examine the influence of inhomogeneity parameters, geometric parameters, types of loading, as well as nonlocal and length scale parameters on the deflections and stresses of axially functionally graded carbon nanotubes reinforced composite (AFG CNTRC) nanobeams. The results indicate that, in contrast to the nonlocal parameter, the beam stiffness is increased by both the CNTs volume fraction and the length-scale parameter. The presented model is applicable for designing and analyzing microelectromechanical systems (MEMS) and nanoelectromechanical systems (NEMS) constructed from carbon nanotubes reinforced composite nanobeams.
Ebrahimi, Farzad;Hosseini, S. Hamed S.;Selvamani, Rajendran
Structural Engineering and Mechanics
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v.73
no.5
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pp.565-584
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2020
The nonlinear thermo-electro-elastic buckling behavior of viscoelastic nanoplates under magnetic field is investigated based on nonlocal elasticity theory. Employing nonlinear strain-displacement relations, the geometrical nonlinearity is modeled while governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi-analytical generalized differential quadrature (GDQ) method. Eringen's nonlocal elasticity theory considers the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nano-sensors and nano actuators. Based on Kelvin-Voigt model, the influence of the viscoelastic coefficient is also discussed. It is demonstrated that the GDQ method has high precision and computational efficiency in the buckling analysis of viscoelastic nanoplates. The good agreement between the results of this article and those available in literature validated the presented approach. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as electric voltage, small scale effects, elastomeric medium, magnetic field, temperature effects, the viscidity and aspect ratio of the nanoplate on its nonlinear buckling characteristics. It is explicitly shown that the thermo-electro-elastic nonlinear buckling behavior of viscoelastic nanoplates is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of viscoelastic nanoplates as fundamental elements in nanoelectromechanical systems.
The present study deals with static and dynamic behaviors including forced vibrations of an elastic rectangular nano plate on the two-parameter foundation. Firstly, the rectangular plate is assumed to be subjected to uniformly distributed and eccentrically applied concentrated loads. The governing equations of the problem are derived by considering the dynamic response of the plate, employing a series of the Chebyshev polynomials for the displacement function and applying the Galerkin method. Then, effects of the non-essential boundary conditions of the plate, i.e., the boundary conditions related to the shearing forces, the bending moments and the corner forces, are included in the governing equation of motion to compensate for the non-satisfied boundary conditions and increase the accuracy of the Galerkin method. The approximate numerical solution is accomplished using an iterative process due to the non-linearity of the unilateral property of the two-parameter foundation. The plate under static concentrated load is investigated in detail numerically by considering a wide range of parameters of the plate and the foundation stiffnesses. Numerical treatment of the problem in the time domain is carried out by assuming a stepwise variation of the concentrated load and the linear acceleration procedure is employed in the solution of the system of governing differential equations derived from the equation of motion. Time variations of the contact region and those of the displacements of the plate are presented in the figures for various numbers of the two-parameter of the foundation, as well as the classical and nano parameters of the plate particularly focusing on the non-linearity of the problem due to the plate lift-off from the unilateral foundation. The effects of classical and nonlocal parameters and loading are investigated in detail. Definition of the separation between the plate and the two-parameter foundation is presented and applied to the given problem. The effect of the lift-off on the static and dynamic behavior of the rectangular plate is studied in detail by considering various loading conditions. The numerical study shows that the effect of nonlocal parameters on the behavior of the plate becomes significant, when nonlinearity becomes more profound, due to the lift-off of the plate. It is seen that the size effects are significant in static and dynamic analysis of nano-scaled rectangular plates and need to be included in the mechanical analyses. Furthermore, the corner displacement of the plate is affected more significantly from the lift-off, whereas it is less marked in the time variation of the middle displacement of the plate. Several numerical examples are presented to examine the sensibility of various parameters associated with nonlocal parameters of the plate and foundation. Both stiffening and softening nonlocal parameters behavior of the plate are identified in the numerical solutions which show that increasing the foundation stiffness decreases the extent of the contact region, whereas the stiffness of the shear layer increases the contact region and reduces the foundation settlement considerably.
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.
This paper aims to study the effect of the elastic nonlocality on the transient waves in a two-dimensional thermoelastic medium influenced by thermal loading due to the laser pulse. The bounding plane surface is heated by a non-Gaussian laser beam. The problem is discussed under the Eringen's nonlocal elasticity model and the Green-Naghdi (G-N) theory with and without energy dissipation. The normal mode analysis method is used to get the exact expressions for the physical quantities which illustrated graphically by comparison and discussion. The effects of nonlocality and different values of time on the displacement, the stresses, and the temperature were made numerically. All the computed results obtained have been depicted graphically and explained.
Kunbar, Laith A. Hassan;Hamad, Luay Badr;Ahmed, Ridha A.;Faleh, Nadhim M.
Smart Structures and Systems
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v.25
no.5
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pp.619-630
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2020
This paper studies nonlinear free vibration characteristics of nonlocal magneto-electro-elastic (MEE) nanobeams resting on nonlinear elastic substrate having geometrical imperfection by considering piezoelectric reinforcement scheme. The piezoelectric reinforcement can cause an enhanced vibration behavior of smart nanobeams under magnetic field. All of previously reported studies on MEE nanobeams ignore the influences of geometric imperfections which are very substantial due to the reason that a nanobeam cannot be always perfect. Nonlinear governing equations of a smart nanobeam are derived based on classical beam theory and an analytical trend is provided to obtained nonlinear vibration frequency. This research shows that changing the volume fraction of piezoelectric constituent in the material has a great influence on vibration behavior of smart nanobeam under electric and magnetic fields. Also, it can be seen that nonlinear vibration behaviors of smart nanobeam are dependent on the magnitude of exerted electric voltage, magnetic potential, hardening elastic foundation and geometrical imperfection.
For the first time, longitudinal and transverse wave propagation of triclinic nanobeam is investigated via a size-dependent shear deformation theory including stretching effect. Furthermore, the influence of initial stress is studied. To consider the size-dependent effects, the nonlocal strain gradient theory is used in which two small scale parameters predict the behavior of wave propagation more accurately. The Hamiltonian principle is adopted to obtain the governing equations of wave motion, then an analytic technique is applied to solve the problem. It is demonstrated that the wave characteristics of the nanobeam rely on the wave number, nonlocal parameter, strain gradient parameter, initial stress, and elastic foundation. From this paper, it is concluded that the results of wave dispersion in isotropic and anisotropic nanobeams are almost the same in the presented case study. So, in this case, triclinic nanobeam can be approximated with isotropic model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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