This work presents a comprehensive study on the surface energy effect on the axial frequency analyses of AFGM nanorods in cylindrical coordinates. The AFGM nanorods are considered to be thin, relatively thick, and thick. In thin nanorods, effects of the inertia of lateral motions and the shear stiffness are ignored; in relatively thick nanorods, only the first one is considered; and in thick nanorods, both of them are considered in the kinetic energy and the strain energy of the nanorod, respectively. The surface elasticity theory which includes three surface parameters called surface density, surface stress, and surface Lame constants, is implemented to consider the size effect. The power-law form is considered for variation of the material properties through the axial direction. Hamilton's principle is used to derive the governing equations and boundary conditions. Due to considering the surface stress, the governing equation and boundary condition become inhomogeneous. After homogenization of them using an appropriate change of variable, axial natural frequencies are calculated implementing harmonic differential quadrature (HDQ) method. Comprehensive results including effects of geometric parameters and various material properties are presented for a wide range of boundary condition types. It is believed that this study is a comprehensive one that can help posterities for design and manufacturing of nano-electro-mechanical systems.
In this paper, vibration and energy absorption characteristics of a nanostructure which is composed of two embedded porous annular/circular nanoplates coupled by a viscoelastic substrate are investigated. The modified couple stress theory (MCST) and the Gurtin-Murdoch theory are applied to take into account the size and the surface effects, respectively. Furthermore, the structural damping effect is probed by the Kelvin-Voigt model and the mathematical model of the problem is developed by a new hyperbolic higher order shear deformation theory. The differential quadrature method (DQM) is employed to obtain the out-of-phase and in-phase frequencies of the structure in order to predict the dynamic response of it. The acquired results reveal that the vibration and energy absorption of the system depends on some factors such as porosity, surface stress effects, material length scale parameter, damping and spring constants of the viscoelastic foundation as well as geometrical parameters of annular/circular nanoplates. A bird's-eye view of the findings in the research paper offers a comprehensive understanding of the vibrational behavior and energy absorption capabilities of annular/circular porous nanoplates. The multidisciplinary approach and the inclusion of porosity make this study valuable for the development of innovative materials and applications in the field of nanoscience and engineering.
S. Abdul Ameer;Abbas Hameed Abdul Hussein;Mohammed H. Mahdi;Fahmy Gad Elsaid;V. Tahouneh
Steel and Composite Structures
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v.50
no.4
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pp.429-441
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2024
This paper studies the free vibration behavior of trapezoidal shaped coupled double-layered graphene sheets (DLGS) system using first-order shear deformation theory (FSDT) and incorporating nonlocal elasticity theory. Two nanoplates are assumed to be bonded by an interlayer van der walls force and surrounded by an external kelvin-voight viscoelastic medium. The governing equations together with related boundary condition are discretized using a mapping-differential quadrature method (DQM) in the spatial domain. Then the natural frequency of the system is obtained by solving the eigen value matrix equation. The validity of the current study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature and then a parametric study is thoroughly performed, concentrating on the series effects of angles and aspect ratio of GS, viscoelastic medium, and nonlocal parameter. The model is used to study the vibration of DLGS for two typical deformation modes, the in-phase and out-of-phase vibrations, which are investigated. Numerical results indicate that due to Increasing the damping parameter of the viscoelastic medium has reduced the frequency of both modes and this medium has been able to overdamped the oscillations and by increasing stiffness parameters both in-phase and out-of-phase vibration frequencies increased.
In recent years, the focus on vibration analysis of multilayer smart structures has attracted considerable attention in many engineering applications. In this work, vibration analysis of a three-layer microporous beam with a core amplified by a composite material reinforced with graphene platelets and two piezoelectric thin films is discussed. It is assumed that piezoelectric layers with a thickness of 0.01 core are very thin and the properties of the matrix and reinforcement vary in the thickness directions. The governing equations of motion are obtained using an energy approach and the method of numerical differential quadrature to solve them. The results of this work are compared to other research and there is good agreement between them. The influences of the volumetric weight fraction of graphene wafers, different graphene platelets distributions, porosity distribution, mass scale parameters and thin ratio of graphene platelets take into account the natural dimensionless frequencies of the micro-beam. The results of this study show that the symmetric distribution of graphene platelets based on the symmetric porosity distribution has a great influence on the natural frequencies without basic dimension of the micro-beam, while the shape ratios of graphene platelets do not have a significant influence on natural frequency changes.
Ali Chen;Omidreza Masoudian;Gholamreza Soleimani Jafari
Structural Engineering and Mechanics
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v.91
no.6
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pp.567-581
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2024
In this paper, an effort is made to present a detailed analysis of dynamic behavior of functionally graded carbon nanotube-reinforced pipes under the influence of an accelerating moving load. Again, the material properties of the nanocomposite pipe will be determined by following the rule of mixtures, considering a specific distribution and volume fraction of CNTs within the pipe. In the present study, temperature-dependent material properties have been considered. The Navier-Stokes equations are used to determine the radial force developed by the viscous fluid. The structural analysis has been carried out based on Reddy's higher-order shear deformation shell theory. The equations of motion are derived using Hamilton's principle. The resulting differential equations are solved using the Differential Quadrature and Integral Quadrature methods, while the dynamic responses are computed with the use of Newmark's time integration scheme. These are many parameters, ranging from those connected with boundary conditions to nanotube geometrical characteristics, velocity, and acceleration of the moving load, and, last but not least, volume fraction and distribution pattern of CNTs. The results indicate that any increase in the volume fraction of CNTs will lead to a decrease in the transient deflection of the structure. It is also observed that maximum displacement occurs with an increase in the load speed, slightly delayed compared to decelerating motion.
Melaibari, Ammar;Khoshaim, Ahmed B.;Mohamed, Salwa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.35
no.5
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pp.671-685
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2020
This manuscript presents impacts of gradation of material functions and axial load functions on critical buckling loads and mode shapes of functionally graded (FG) thin and thick beams by using higher order shear deformation theory, for the first time. Volume fractions of metal and ceramic materials are assumed to be distributed through a beam thickness by both sigmoid law and symmetric power functions. Ceramic-metal-ceramic (CMC) and metal-ceramic-metal (MCM) symmetric distributions are proposed relative to mid-plane of the beam structure. The axial compressive load is depicted by constant, linear, and parabolic continuous functions through the axial direction. The equilibrium governing equations are derived by using Hamilton's principles. Numerical differential quadrature method (DQM) is developed to discretize the spatial domain and covert the governing variable coefficients differential equations and boundary conditions to system of algebraic equations. Algebraic equations are formed as a generalized matrix eigenvalue problem, that will be solved to get eigenvalues (buckling loads) and eigenvectors (mode shapes). The proposed model is verified with respectable published work. Numerical results depict influences of gradation function, gradation parameter, axial load function, slenderness ratio and boundary conditions on critical buckling loads and mode-shapes of FG beam structure. It is found that gradation types have different effects on the critical buckling. The proposed model can be effective in analysis and design of structure beam element subject to distributed axial compressive load, such as, spacecraft, nuclear structure, and naval structure.
Amr E. Assie;Salwa A. Mohamed;Alaa A. Abdelrahman;Mohamed A. Eltaher
Steel and Composite Structures
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v.48
no.2
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pp.113-130
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2023
The present manuscript aims to investigate the deviation between the middle surface (MS) and neutral surface (NS) formulations on the static response of bi-directionally functionally graded (BDFG) porous plate. The higher order shear deformation plate theory with a four variable is exploited to define the displacement field of BDFG plate. The displacement field variables based on both NS and on MS are presented in detail. These relations tend to get and derive a new set of boundary conditions (BCs). The porosity distribution is portrayed by cosine function including three different configurations, center, bottom, and top distributions. The elastic foundation including shear and normal stiffnesses by Winkler-Pasternak model is included. The equilibrium equations based on MS and NS are derived by using Hamilton's principles and expressed by variable coefficient partial differential equations. The numerical differential quadrature method (DQM) is adopted to solve the derived partial differential equations with variable coefficient. Rigidities coefficients and stress resultants for both MS and NS formulations are derived. The mathematical formulation is proved with previous published work. Additional numerical and parametric results are developed to present the influences of modified boundary conditions, NS and MS formulations, gradation parameters, elastic foundations coefficients, porosity type and porosity coefficient on the static response of BDFG porous plate. The following model can be used in design and analysis of BDFG structure used in aerospace, vehicle, dental, bio-structure, civil and nuclear structures.
In this paper, we provide numerical analysis of so-called Legendre Gauss-Radau and Legendre-Gauss collocation methods for ordinary differential equations. After recasting these collocation methods as Runge-Kutta methods, we prove that the Legendre-Gauss collocation method is equivalent to the well-known Gauss method, while the Legendre-Gauss-Radau collocation method does not belong to the classes of Radau IA or Radau IIA methods in the Runge-Kutta literature. Making use of the well-established theory of Runge-Kutta methods, we study stability and accuracy of the Legendre-Gauss-Radau collocation method. Numerical experiments are conducted to confirm our theoretical results on the accuracy and numerical stability of the Legendre-Gauss-Radau collocation method, and compare Legendre-Gauss collocation method with the Gauss method.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.10
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pp.4706-4712
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2013
One of the efficient procedures for the solution of partial differential equations is the method of differential quadrature. This method has been applied to a large number of cases to circumvent the difficulties of programming complex algorithms for the computer, as well as excessive use of storage due to conditions of complex geometry and loading. Under in-plane uniform distributed load, the buckling of asymmetric curved beam with varying cross section is analyzed by using differential quadrature method (DQM). Critical load due to diverse cross section variation and opening angle is calculated. Analysis result of DQM is compared with the result of exact analytic solution. As DQM is used with small grid points, exact analysis result is shown. New result according to diverse cross section variation is also suggested.
This paper has focused on presenting vibration analysis of trapezoidal sandwich plates with 3D-graphene foam reinforced polymer matrix composites (GrF-PMC) core and FG wavy CNT-reinforced face sheets. The porous graphene foam possessing 3D scaffold structures has been introduced into polymers for enhancing the overall stiffness of the composite structure. Also, 3D graphene foams can distribute uniformly or non-uniformly in the plate thickness direction. The effective Young's modulus, mass density and Poisson's ratio are predicted by the rule of mixture. In this study, the classical theory concerning the mechanical efficiency of a matrix embedding finite length fibers has been modified by introducing the tube-to-tube random contact, which explicitly accounts for the progressive reduction of the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The First-order shear deformation theory of plate is utilized to establish governing partial differential equations and boundary conditions for trapezoidal plate. The governing equations together with related boundary conditions are discretized using a mapping-generalized differential quadrature (GDQ) method in spatial domain. Then natural frequencies of the trapezoidal sandwich plates are obtained using GDQ method. Validity of the current study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature. It is explicated that 3D-GrF skeleton type and weight fraction, carbon nanotubes (CNTs) waviness and CNT aspect ratio can significantly affect the vibrational behavior of the sandwich structure. The plate's normalized natural frequency decreased and the straight carbon nanotube (w=0) reached the highest frequency by increasing the values of the waviness index (w).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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