In the present study, thermo-electro-mechanical vibration characteristics of functionally graded piezoelectric (FGP) Timoshenko nanobeams subjected to in-plane thermal loads and applied electric voltage are carried out by presenting a Navier type solution for the first time. Three kinds of thermal loading, namely, uniform, linear and non-linear temperature rises through the thickness direction are considered. Thermo-electro-mechanical properties of FGP nanobeam are supposed to vary smoothly and continuously throughout the thickness based on power-law model. Eringen's nonlocal elasticity theory is exploited to describe the size dependency of nanobeam. Using Hamilton's principle, the nonlocal equations of motion together with corresponding boundary conditions based on Timoshenko beam theory are obtained for the free vibration analysis of graded piezoelectric nanobeams including size effect 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 FGP nanobeams as compared to some cases in the literature. In following a parametric study is accompanied to examine the effects of several parameters such as various temperature distributions, external electric voltage, power-law index, nonlocal parameter and mode number on the natural frequencies of the size-dependent FGP nanobeams in detail. It is found that the small scale effect and thermo-electrical loading have a significant effect on natural frequencies of FGP 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.
To peruse the free vibration of curved functionally graded piezoelectric (FGP) nanosize beam in thermal environment, nonlocal elasticity theory is applied for modeling the nano scale effect. The governing equations are obtained via the energy method. Analytically Navier solution is employed to solve the governing equations for simply supported boundary conditions. Solving these equations enables us to estimate the natural frequency for curved FGP nanobeam under the effect of a uniform temperature change and external electric voltage. The results determined are verified by comparing the results by available ones in literature. The effects of various parameters such as nonlocality, uniform temperature changes, external electric voltage, gradient index, opening angle and aspect ratio of curved FGP nanobeam on the natural frequency are successfully discussed. The results revealed that the natural frequency of curved FGP nanobeam is significantly influenced by these effects.
This paper is concerned with thermo-mechanical vibration behavior of flexoelectric/piezoelectric nanobeams under uniform and linear temperature distributions. Flexoelectric/piezoelectric nanobeams have higher natural frequencies compared to conventional piezoelectric ones, especially at lower thicknesses. Both nonlocal and surface effects are considered in the analysis of flexoelectric/piezoelectric nanobeams for the first time. Hamilton's principle is employed to derive the governing equations and the related boundary conditions which are solved applying a Galerkin-based solution. Comparison study is also performed to verify the present formulation with those of previous data. Numerical results are presented to investigate the influences of the flexoelectricity, nonlocal parameter, surface elasticity, temperature rise, beam thickness and various boundary conditions on the vibration frequencies of thermally affected flexoelectric/piezoelectric nanobeam.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.20
no.6
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pp.767-772
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2011
The thermal deformation of machine tool spindle influences the performance of the manufacturing systems for precision products. According to previous studies, major factors that will affect the stiffness of the spindle include spindle diameter, elasticity of the material, bearing stiffness and bearing span. It is difficult to change spindle diameter or elasticity of the material. but change of bearing position is easy in the given range compared to other factors. In this paper, we will find a solution to minimize thermal deformation through Change the span of the bearing.
Isavand, S.;Bodaghi, M.;Shakeri, M.;Mohandesi, J. Aghazadeh
Steel and Composite Structures
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v.18
no.1
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pp.1-28
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2015
In this paper, the dynamic response of functionally gradient steel (FGS) composite cylindrical panels in steady-state thermal environments subjected to impulsive loads is investigated for the first time. FGSs composed of graded ferritic and austenitic regions together with bainite and martensite intermediate layers are analyzed. Thermo-mechanical material properties of FGS composites are predicted according to the microhardness profile of FGS composites and approximated with appropriate functions. Based on the three-dimensional theory of thermo-elasticity, the governing equations of motionare derived in spatial and time domains. These equations are solved using the hybrid Fourier series expansion-Galerkin finite element method-Newmark approach for simply supported boundary conditions. The present solution is then applied to the thermo-elastic dynamic analysis of cylindrical panels with three different arrangements of material compositions of FGSs including ${\alpha}{\beta}{\gamma}M{\gamma}$, ${\alpha}{\beta}{\gamma}{\beta}{\alpha}$ and ${\gamma}{\beta}{\alpha}{\beta}{\gamma}$ composites. Benchmark results on the displacement and stress time-histories of FGS cylindrical panels in thermal environments under various pulse loads are presented and discussed in detail. Due to the absence of similar results in the specialized literature, this paper is likely to fill a gap in the state of the art of this problem, and provide pertinent results that are instrumental in the design of FGS structures under time-dependent mechanical loadings.
In this paper, the wave propagation in a generalized thermo elastic plate embedded in an elastic medium (Winkler model) is studied based on the Lord-Schulman (LS) and Green-Lindsay (GL) generalized two dimensional theory of thermo elasticity. Two displacement potential functions are introduced to uncouple the equations of motion. The frequency equations that include the interaction between the plate and foundation are obtained by the traction free boundary conditions using the Bessel function solutions. The numerical calculations are carried out for the material Zinc and the computed non-dimensional frequency and attenuation coefficient are plotted as the dispersion curves for the plate with thermally insulated and isothermal boundaries. The wave characteristics are found to be more stable and realistic in the presence of thermal relaxation times and the foundation parameter. A comparison of the results for the case with no thermal effects shows well agreement with those by the membrane theory.
In this paper, the wave propagation in generalized thermo elastic plate immersed in fluid is studied based on the Lord-Shulman (LS) and Green-Lindsay (GL) generalized two dimensional theory of thermo elasticity. Two displacement potential functions are introduced to uncouple the equations of motion. The frequency equations that include the interaction between the plate and fluid are obtained by the perfect-slip boundary conditions using the Bessel function solutions. The numerical calculations are carried out for the material Zinc and the computed non-dimensional frequency, phase velocity and attenuation coefficient are plotted as the dispersion curves for the plate with thermally insulated and isothermal boundaries. The wave characteristics are found to be more stable and realistic in the presence of thermal relaxation times and the fluid interaction.
An analytical method is presented to solve the problem of transient wave propagation in a transversely isotropic piezoelectric hollow sphere subjected to thermal shock and electric excitation. Exact expressions for the transient responses of displacements, stresses, electric displacement and electric potentials in the piezoelectric hollow sphere are obtained by means of Hankel transform, Laplace transform, and inverse transforms. Using Hermite non-linear interpolation method solves Volterra integral equation of the second kind involved in the exact expression, which is caused by interaction between thermo-elastic field and thermo-electric field. Thus, an analytical solution for the problem of transient wave propagation in a transversely isotropic piezoelectric hollow sphere is obtained. Finally, some numerical results are carried out, and may be used as a reference to solve other transient coupled problems of thermo-electro-elasticity.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.347-354
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2004
Using an efficient adjoint variable method, we develop a unified design sensitivity analysis (DSA) method considering both steady state nonlinear heat conduction and geometrical nonlinear elasticity problems. Design sensitivity expressions with respect to thermal conductivity and Young's modulus are derived. Beside the temperature and displacement adjoint equations, another coupled one is defined regarding the obtained adjoint displacement field as the adjoint load in temperature field. The developed DSA method is shown to be very efficient and further extended to a topology design optimization method for the nonlinear weakly coupled thermo-elasticity problems using a density approach.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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