Herein, the thermo-magneto-elastic wave dispersion answers of functionally graded (FG) double-nanobeam systems (DNBSs) are surveyed implementing a nonlocal strain gradient theory (NSGT). The kinematic relations are derived employing the classical beam theory. Also, scale influences are covered precisely in the framework of NSGT. Moreover, Mori-Tanaka homogenization model is introduced in order to obtain the effective material properties of FG nanobeams. Meanwhile, effects of external forces such as thermal and Lorentz forces are included in this research. Also, based upon the Hamilton's principle, the Euler-Lagrange equations are developed; afterwards, these equations are incorporated with those of NSGT to reach the nonlocal governing equations of FG-DNBSs. Furthermore, according to an analytical approach, the governing equations are solved to obtain the wave frequencies and phase velocities of FG-DNBSs. At the end, some illustrations are rendered to clarify the influences of a wide range of involved parameters.
In the present study, nonlocal strain gradient theory (NSGT) is developed for wave propagation of functionally graded (FG) nanoscale plate in the thermal environment by considering the porosity effect. $Si_3N_4$ as ceramic phase and SUS304 as metal phase are regarded to be constitutive material of FG nanoplate. The porosity effect is taken into account on the basis of the newly extended method which considers coupling influence between Young's modulus and mass density. The motion relation is derived by applying Hamilton's principle. NSGT is implemented in order to account for small size effect. Wave frequency and phase velocity are obtained by solving the problem via an analytical method. The effects of different parameters such as porosity coefficient, gradient index, wave number, scale factor and temperature change on phase velocity and wave frequency of FG porous nanoplate have been examined and been presented in a group of illustrations.
Ebrahimi, Farzad;Dabbagh, Ali;Rabczuk, Timon;Tornabene, Francesco
Advances in nano research
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v.7
no.2
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pp.135-143
/
2019
The important effect of porosity on the mechanical behaviors of a continua makes it necessary to account for such an effect while analyzing a structure. motivated by this fact, a new two-step porosity dependent homogenization scheme is presented in this article to investigate the wave propagation responses of functionally graded (FG) porous nanobeams. In the introduced homogenization method, which is a modified form of the power-law model, the effects of porosity distributions are considered. Based on Hamilton's principle, the Navier equations are developed using the Euler-Bernoulli beam model. Thereafter, the constitutive equations are obtained employing the nonlocal elasticity theory of Eringen. Next, the governing equations are solved in order to reach the wave frequency. Once the validity of presented methodology is proved, a set of parametric studies are adapted to put emphasis on the role of each variant on the wave dispersion behaviors of porous FG nanobeams.
In this article, the critical buckling of a single-walled carbon nanotube (SWCNT) embedded in Kerr's medium is studied. Based on the nonlocal continuum theory and the Euler-Bernoulli beam model. The governing equilibrium equations are acquired and solved for CNTs subjected to mechanical loads and embedded in Kerr's medium. Kerr-type model is employed to simulate the interaction of the (SWNT) with a surrounding elastic medium. A first time, a comparison with the available results is made, and another comparison between various models Winkler-type, Pasternak-type and Kerr-type is studied. Effects of nonlocal parameter and aspect ratio of length to diameter of nanobeam, as well as the foundation parameters on buckling of CNT are investigated. These results are important in the mechanical design considerations of nanocomposites based on carbon nanotubes.
In the present study, the nonlocal strain gradient theory is used to predict the size-dependent buckling and post-buckling behavior of geometrically imperfect nano-scale piezo-flexomagnetic plate strips in two modes of direct and converse flexomagnetic effects. The first-order shear deformation plate theory is used to analyze analytically nano-strips with simply supported boundary conditions. The nonlinear governing equations of equilibrium and associated boundary conditions are derived using the principle of minimum total potential energy with consideration of the von Kármán-type of geometric nonlinearity. A closed-form solution of governing differential equation is obtained, which is easily usable for engineers and designers. To validate the presented formulations, whenever possible, a comparison with the results found in the open literature is reported for buckling loads. A parametric study is presented to examine the effect of scaling parameters, plate slenderness ratio, temperature, the mid-plane initial rise, flexomagnetic coefficient, different temperature distributions, and magnetic potential, in case of the converse flexomagnetic effect, on buckling and post-buckling loads in detail.
Sinusoidal shear deformation theory (SSDT) is developed here for dynamic buckling of functionally graded (FG) nano-plates. The material properties of plate are assumed to vary according to power law distribution of the volume fraction of the constituents. In order to present a realistic model, the structural damping of nano-structure is considered using Kelvin-Voigt model. The surrounding elastic medium is modeled with a novel foundation namely as orthotropic visco-Pasternak medium. Size effects are incorporated based on Eringen'n nonlocal theory. Equations of motion are derived from the Hamilton's principle. The differential quadrature method (DQM) in conjunction with Bolotin method is applied for obtaining the dynamic instability region (DIR). The detailed parametric study is conducted, focusing on the combined effects of the nonlocal parameter, orthotropic visco-Pasternak foundation, power index of FG plate, structural damping and boundary conditions on the dynamic instability of system. The results are compared with those of first order shear deformation theory and higher-order shear deformation theory. It can be concluded that the proposed theory is accurate and efficient in predicting the dynamic buckling responses of system.
For the first time, nonlocal damped vibration and buckling analyses of arbitrary tapered bidirectional functionally graded solid circular nano-plate (BDFGSCNP) are presented by employing modified spectral Ritz method. The energy method based on Love-Kirchhoff plate theory assumptions is applied to derive neutral equilibrium equation. The Eringen's nonlocal continuum theory is taken into account to capture small-scale effects. The characteristic equations and corresponding first mode shapes are calculated by using a novel modified basis in spectral Ritz method. The modified basis is in terms of orthogonal shifted Chebyshev polynomials of the first kind to avoid employing adhesive functions in the spectral Ritz method. The fast convergence and compatibility with various conditions are advantages of the modified spectral Ritz method. A more accurate multivariable function is used to model two-directional variations of elasticity modulus and mass density. The effects of nanoscale, in-plane pre-load, distributed dashpot, arbitrary tapering, pinned and clamped boundary conditions on natural frequencies and buckling loads are investigated. Observing an excellent agreement between results of current work and outcomes of previously published works in literature, indicates the results' accuracy in current work.
Weak form integral equations are developed to investigate the flapwise bending vibration of the rotating beams. Rayleigh and Eringen nonlocal elasticity theories are used to investigate the rotatory inertia and Size-dependency effects on the flapwise bending vibration of the rotating cantilever beams, respectively. Through repetitive integrations, the governing partial differential equations are converted into weak form integral equations. The novelty of the presented approach is the approximation of the mode shape function by a power series which converts the equations into solvable one. Substitution of the power series into weak form integral equations results in a system of linear algebraic equations. The natural frequencies are determined by calculation of the non-trivial solution for resulting system of equations. Accuracy of the proposed method is verified through several numerical examples, in which the influence of the geometry properties, rotatory inertia, rotational speed, taper ratio and size-dependency are investigated on the natural frequencies of the rotating beam. Application of the weak form integral equations has made the solution simpler and shorter in the mathematical process. Presented relations can be used to obtain a close-form solution for quick calculation of the first five natural frequencies of the beams with flapwise vibration and non-local effects. The analysis results are compared with those obtained from other available published references.
In this paper, the classical and non-classical boundary conditions effect on free vibration characteristics of functionally graded (FG) size-dependent nanobeams are investigated by presenting a semi analytical differential transform method (DTM) for the first time. Three kinds of mathematical models, namely; power law (P-FGM), sigmoid (S-FGM) and Mori-Tanaka (MT-FGM) distribution are considered to describe the material properties in the thickness direction. The nonlocal Eringen theory takes into account the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanosensors and nanoactuators. Governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi analytical differential transform method. 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 small scale effects, spring constant factors, various material compositions and mode number on the normalized natural frequencies of the FG nanobeams in detail. It is explicitly shown that the vibration of FG nanobeams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FG nanobeams.
Karami, Behrouz;Shahsavari, Davood;Janghorban, Maziar;Li, Li
Structural Engineering and Mechanics
/
v.73
no.2
/
pp.191-207
/
2020
This study aims at investigating the size-dependent free vibration of porous nanoplates when exposed to hygrothermal environment and rested on Kerr foundation. Based on the modified power-law model, material properties of porous functionally graded (FG) nanoplates are supposed to change continuously along the thickness direction. The generalized nonlocal strain gradient elasticity theory incorporating three scale factors (i.e. lower- and higher-order nonlocal parameters, strain gradient length scale parameter), is employed to expand the assumption of second shear deformation theory (SSDT) for considering the small size effect on plates. The governing equations are obtained based on Hamilton's principle and then the equations are solved using an analytical method. The elastic Kerr foundation, as a highly effected foundation type, is adopted to capture the foundation effects. Three different patterns of porosity (namely, even, uneven and logarithmic-uneven porosities) are also considered to fill some gaps of porosity impact. A comparative study is given by using various structural models to show the effect of material composition, porosity distribution, temperature and moisture differences, size dependency and elastic Kerr foundation on the size-dependent free vibration of porous nanoplates. Results show a significant change in higher-order frequencies due to small scale parameters, which could be due to the size effect mechanisms. Furthermore, Porosities inside of the material properties often present a stiffness softening effect on the vibration frequency of FG nanoplates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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