In the present paper, the influences of the variation of exponent of volume fraction of carbon nanotubes (CNTs) on the natural frequencies (NFs) of the carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) beams under four different boundary conditions (BCs) are investigated. The single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are assumed to be aligned and dispersed in a polymeric matrix with various reinforcing patterns, according to the variation of exponent of volume fraction of CNTs for functionally graded (FG) reinforcements. Besides, uniform distribution (UD) of reinforcement is also considered to analyze the influence of the non-linear (NL) variation of the reinforcement of CNTs. Using Hamilton's principle and third-order shear deformation theory (TSDT), the equations of motion of the CNTRC beam are derived. Under four different BCs, the resulting equations are solved analytically. To verify the present formulation, comparison investigations are conducted. To examine the impacts of several factors on the NFs of the CNTRC beams, numerical examples and some benchmark results are presented.
In the current paper, the nonlinear resonance response of functionally graded graphene platelet reinforced (FG-GPLRC) beams by considering different boundary conditions is investigated using the Euler-Bernoulli beam theory. Four different graphene platelets (GPLs) distributions including UD and FG-O, FG-X, and FG-A are considered and the effective material parameters are calculated by Halpin-Tsai model. The nonlinear vibration equations are derived by Euler-Lagrange principle. Then the perturbation method is used to discretize the motion equations, and the loadings and displacement are all expanded, so as to obtain the first to third order perturbation equations, and then the asymptotic solution of the equations can be obtained. Then the nonlinear amplitude-frequency response is obtained with the help of the modified Lindstedt-Poincare method (Chen and Cheung 1996). Finally, the influences of the distribution types of GPLs, total GPLs layers, GPLs weight fraction, elastic foundations and boundary conditions on the resonance problems are comprehensively studied. Results show that the distribution types of GPLs, total GPLs layers, GPLs weight fraction, elastic foundations and boundary conditions have a significant effect on the nonlinear resonance response of FG-GPLRC beams.
Park, Weon-Tae;Han, Sung-Cheon;Jung, Woo-Young;Lee, Won-Hong
Steel and Composite Structures
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v.22
no.6
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pp.1239-1259
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2016
The modified couple stress-based third-order shear deformation theory is presented for sigmoid functionally graded materials (S-FGM) plates. The advantage of the modified couple stress theory is the involvement of only one material length scale parameter which causes to create symmetric couple stress tensor and to use it more easily. Analytical solution for dynamic instability analysis of S-FGM plates on elastic medium is investigated. The present models contain two-constituent material variation through the plate thickness. The equations of motion are derived from Hamilton's energy principle. The governing equations are then written in the form of Mathieu-Hill equations and then Bolotin's method is employed to determine the instability regions. The boundaries of the instability regions are represented in the dynamic load and excitation frequency plane. It is assumed that the elastic medium is modeled as Pasternak elastic medium. The effects of static and dynamic load, power law index, material length scale parameter, side-to-thickness ratio, and elastic medium parameter have been discussed. The width of the instability region for an S-FGM plate decreases with the decrease of material length scale parameter. The study is relevant to the dynamic simulation of micro structures embedded in elastic medium subjected to intense compression and tension.
In this study, vibration analysis of a concrete foundation-reinforced by $SiO_2$ nanoparticles resting on soil bed is investigated. The soil medium is simulated with spring constants. Furthermore, the Mori-Tanaka low is used for obtaining the material properties of nano-composite structure and considering agglomeration effects. Using third order shear deformation theory or Reddy theory, the total potential energy of system is calculated and by means of the Hamilton's principle, the coupled motion equations are obtained. Also, based an analytical method, the frequency of system is calculated. The effects of volume percent and agglomeration of $SiO_2$ nanoparticles, soil medium and geometrical parameters of structure are shown on the frequency of system. Results show that with increasing the volume percent of $SiO_2$ nanoparticles, the frequency of structure is increased.
Mohammadimehr, Mehdi;Arshid, Ehsan;Alhosseini, Seyed Mohammad Amin Rasti;Amir, Saeed;Arani, Mohammad Reza Ghorbanpour
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.6
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pp.683-702
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2019
The present study aims to analyze the magneto-electro-elastic (MEE) vibration of a functionally graded carbon nanotubes reinforced composites (FG-CNTRC) cylindrical shell. Electro-magnetic loads are applied to the structure and it is located on an elastic foundation which is simulated by visco-Pasternak type. The properties of the nano-composite shell are assumed to be varied by temperature changes. The third-order shear deformation shells theory is used to describe the displacement components and Hamilton's principle is employed to derive the motion differential equations. To obtain the results, Navier's method is used as an analytical solution for simply supported boundary condition and the effect of different parameters such as temperature variations, orientation angle, volume fraction of CNTs, different types of elastic foundation and other prominent parameters on the natural frequencies of the structure are considered and discussed in details. Design more functional structures subjected to multi-physical fields is of applications of this study results.
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.
The main purpose of this research work is to investigate the critical buckling load of functionally graded (FG) porous plates with graphene platelets (GPLs) reinforcement using generalized differential quadrature (GDQ) method at thermal condition. It is supposed that the GPL nanofillers and the porosity coefficient vary continuously along the plate thickness direction. Generally, the thermal distribution is considered to be nonlinear and the temperature changing continuously through the thickness of the nanocomposite plates according to the power-law distribution. To model closed cell FG porous material reinforced with GPLs, Halpin-Tsai micromechanical modeling in conjunction with Gaussian-Random field scheme are used, through which mechanical properties of the structures can be extracted. Based on the third order shear deformation theory (TSDT) and the Hamilton's principle, the equations of motion are established and solved for various boundary conditions (B.Cs). The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples and validity of the present study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature. A special attention is drawn to the role of GPLs weight fraction, GPLs patterns through the thickness, porosity coefficient and distribution of porosity on critical buckling load. Results reveal that the importance of thermal condition on of the critical load of FGP-GPL reinforced nanocomposite plates.
Kheirikhah, M.M.;Khalili, S.M.R.;Fard, K. Malekzadeh
Structural Engineering and Mechanics
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v.44
no.1
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pp.15-34
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2012
In the present paper, an improved high-order theory is used for bending analysis of soft-core sandwich plates. Third-order plate assumptions are used for face sheets and quadratic and cubic functions are assumed for transverse and in-plane displacements of the orthotropic soft core. Continuity conditions for transverse shear stresses at the interfaces as well as the conditions of zero transverse shear stresses on the upper and lower surfaces of the plate are satisfied. Also, transverse flexibility and transverse normal strain and stress of the orthotropic core are considered. The equations of motion and boundary conditions are derived by principle of minimum potential energy. Analytical solution for bending analysis of simply supported sandwich plates under various transverse loads are presented using Navier's solution. Comparison of the present results with those of the three-dimensional theory of elasticity and some plate theories in the literature confirms the accuracy of the proposed theory.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.9
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pp.2744-2751
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1996
In case of limited power supply, a rotating shaft system may not reach its operating speed that is greater than its critical speed, but the speed oscillates with small ampllitude near critical speed. As a result, it is considered that the operating mode plays an important role in the smooth start of machines. In order to investigate the dynamic behaviors of the rotating shaft system at the beginning stage, one has derived the equations of motion whose degrees of freedom is three, two translations and one rotation. The simultaneous differential equations are numerically solved by using runge-Kutta method, and thus the small time step length could be required corresponding to the stability of solution. Three types of operating modes dependent upon the driving torque rate have been numerically investigated according to the maximum displacement of shaft center. The first type of relation is linear, the second type is composed of two linear curves recommended by machine manufacturer, and the last one is the proposed torque curve reflecting the frequency response curve of one degree of freedom system. For the second type of modes, it is found that the optimal range of intermediate speed to the critical speed lies between 0.8 and 0.9. In addition to that, the maximum displacement can be reduced more if the third type of mode is utilized.
In this paper, thermal vibration behavior of nanoscale beams made of functionally graded (FG) materials subjected to various types of thermal loading are investigated. A Reddy shear deformation beam theory which captures both the microstructural and shear deformation effects without the need for any shear correction factors is employed. Material properties of FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary gradually along the thickness according to the power-law form. The influence of small scale is captured 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 comparison of the obtained results is conducted with those of nonlocal Euler-Bernoulli beam theory and it is demonstrated that the proposed modeling predict correctly the vibration responses of FG nanobeams. The effects of nonlocal parameter, material graduation, mode number, slenderness ratio and thermal loading on vibration behavior of the nanobeams are studied in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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