In this paper, dynamic buckling of a smart sandwich nanotube is studied. The nanostructure is composed of a carbon-nanotube with inner and outer surfaces coated with ZnO piezoelectric layers, which play the role of sensor and actuator. Nanotube is under magnetic field and ZnO layers are under electric field. The nanostructure is located in a viscoelastic environment, which is assumed to obey Visco-Pasternak model. Non-local piezo-elasticity theory is used to consider the small-scale effect, and Kelvin model is used to describe the structural damping effects. Surface stresses are taken into account based on Gurtin-Murdoch theory. Hamilton principle in conjunction with zigzag shear-deformation theory is used to obtain the governing equations. The governing equations are then solved using the differential quadrature method, to determine dynamic stability region of the nanostructure. To validate the analysis, the results for simpler case studies are compared with others reported in the literature. Then, the effect of various parameters such as small-scale, surface stresses, Visco-Pasternak environment and electric and magnetic fields on the dynamic stability region is investigated. The results show that considering the surface stresses leads to an increase in the excitation frequency and the dynamic stability region happens at higher frequencies.
Liu, Wen-qi;Liu, Shan-jun;Fan, Ming-yu;Tian, Wei;Wang, Ji-peng;Tahouneh, Vahid
Steel and Composite Structures
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제35권2호
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pp.295-306
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2020
This paper deals with free vibration analysis of non-uniform column resting on elastic foundations and subjected to follower force at its free end. The internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix according to different patterns. The model is proposed with material parameters varying in the thickness of column to achieve graded distributions in both porosity and nanofillers. The elastic modulus of the nanocomposite is obtained by using Halpin-Tsai micromechanics model. The differential quadrature method as an efficient and accurate numerical approach is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. It is observed that the maximum vibration frequency obtained in the case of symmetric porosity and GPL distribution, while the minimum vibration frequency is obtained using uniform porosity distribution. Results show that for better understanding of mechanical behavior of nanocomposite column, it is crucial to consider porosities inside the material structure.
In this paper, for the first time based on the nonlocal strain gradient theory the effect of size dependency in torsional vibration of bi-direction functionally graded (FG) nonlinear nano-cone is study. The material properties were assumed to vary according to the arbitrary function in radial and axial directions. The Navier equation and boundary conditions of the size-dependent bidirectional FG nonlinear nano-cone were derived by Hamilton's principle. These equations were solved by employing the generalized differential quadrature method (GDQM). The presented model can turn into the classical model if the material length scale parameters are taken to be zero. The effects of some parameters, such as inhomogeneity constant, cross-sectional area parameter and small-scale parameters, were studied. As an essential result of this study can be stated that an FG nano-cone model based on the nonlocal elasticity theory behaves softer and based on the strain gradient theory behaves harder.
This is the first attempt to consider the nonlinear bending analysis of porous functionally graded (FG) thick annular and circular nanoplates resting on Kerr foundation. The size effects are captured based on modified couple stress theory (MCST). The material properties of the porous FG nanostructure are assumed to vary smoothly through the thickness according to a power law distribution of the volume fraction of the constituent materials. The elastic medium is modeled by Kerr elastic foundation which consists of two spring layers and one shear layer. The governing equations are extracted based on Hamilton's principle and two variables refined plate theory. Utilizing generalized differential quadrature method (GDQM), the nonlinear static behavior of the nanostructure is obtained under different boundary conditions. The effects of various parameters such as material length scale parameter, boundary conditions, and geometrical parameters of the nanoplate, elastic medium constants, porosity and FG index are shown on the nonlinear deflection of the annular and circular nanoplates. The results indicate that with increasing the material length scale parameter, the nonlinear deflection is decreased. In addition, the dimensionless nonlinear deflection of the porous annular nanoplate is diminished with the increase of porosity parameter. It is hoped that the present work may provide a benchmark in the study of nonlinear static behavior of porous nanoplates.
The research presented in this paper deals with dynamic stability analysis of the graphene nanoplatelets (GPLs) reinforced composite spinning disk. The presented small-scaled structure is simulated as a disk covered by viscoelastic substrate which is two-parametric. The centrifugal and Coriolis impacts due to the spinning are taken into account. The stresses and strains would be obtained using the first-order-shear-deformable-theory (FSDT). For Poisson ratio, as well as various amounts of mass densities, the mixture rule is employed, while a modified Halpin-Tsai model is inserted for achieving the elasticity module. The structure's boundary conditions (BCs) are obtained employing GPLs reinforced composite (GPLRC) spinning disk's governing equations applying principle of Hamilton which is based on minimum energy and ultimately have been solved employing numerical approach called generalized-differential quadrature-method (GDQM). Spinning disk's dynamic properties with different boundary conditions (BCs) are explained due to the curves drawn by Matlab software. Also, the simply-supported boundary conditions is applied to edges 𝜃=𝜋/2, and 𝜃=3𝜋/2, while, cantilever, respectively, is analyzed in R=Ri, and R0. The final results reveal that the GPLs' weight fraction, viscoelastic substrate, various GPLs' pattern, and rotational velocity have a dramatic influence on the amplitude, and vibration behavior of a GPLRC rotating cantilevered disk. As an applicable result in related industries, the spinning velocity impact on the frequency is more effective in the higher radius ratio's amounts.
In this paper, the vibrations of boron nitride nanotubes (BNNTs) are investigated by considering the electric field. To consider the size effect at nanoscale dimensions, the surface elasticity theory is exploited. The equations of motion of the BNNTs are obtained by applying Hamilton's principle, and the clamped-guided boundary conditions are also considered. The governing equations and boundary conditions are discretized using the differential quadrature method (DQM), and the natural frequency is obtained by using the eigenvalue problem solution. The results are compared with the molecular dynamic simulation in order to validate the accurate values of the surface effects. In the molecular dynamics (MD) simulation, the potential between boron and nitride atoms is considered as the Tersoff type. The Timoshenko beam model is adopted to model BNNT. The vibrations of two types of zigzag and armchair BNNTs are considered. In the result section, the effects of chirality, surface elasticity modulus, surface residual tension, surface density, electric field, length, and thickness of BNNT on natural frequency are investigated. According to the results, it should be noted that, as an efficient non-classical continuum mechanic approach, the surface elasticity theory can be used in scrutinizing the dynamic behavior of BNNTs.
Yongyong Wang;Qixia Jia;Tingting Deng;Mostafa Habibi;Sanaa Al-Kikani;H. Elhosiny Ali
Structural Engineering and Mechanics
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제85권6호
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pp.729-742
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2023
It is a recent attraction to the mechanical scientists to investigate state of wave propagation, buckling and vibration in the sport balls to observe the importance of different parameters on the performance of the players and the quality of game. Therefore, in the present study, we aim to investigate the wave propagation in handball game ball in term of mass of the ball and geometrical parameters wit incorporation of the viscoelastic effects of the ball material into account. In this regard, the ball is modeled using thick shell structure and classical elasticity models is utilized to obtain the equation of motion via Hamilton's principle. The displacement field of the ball model is obtained using first order shear deformation theory. The resultant equations are solved with the aid of generalized differential quadrature method. The results show that mass of the ball and viscoelastic coefficient have considerable influence on the state of wave propagation in the ball shell structure.
Wave propagation with high transverse deflection could affect the stability of the ball in its trajectory. For low stiffness balls similar to soccer and volleyball balls, the waves are more noticeable in comparison to other balls like ping-pong ball. On the other hand, the soccer balls are under heavy impact loads from shoots and contacting different objects in the field. The maximum recorded speed of a soccer ball after kicking is the 211 km/hr and the average maximum speed is around 112 km/hr. Therefore, in such speeds the aerodynamic forces become important which are directly related to geometrical shape of the ball. In this regard, the wave propagation in soccer ball is examined in the current study using large deformation shear deformable formulations. Classical relations of stress-strain components are taken into consideration along with minimum total energy principle. The final derived relations were solved by using harmonic differential quadrature method. The results are generally presented ion term of phase velocity as function of different influencing parameters of the materials, geometry and mass of the ball.
Organic solar cells utilized natural polymers to convert solar energy to electricity. The demands for green energy production and less disposal of toxic materials make them one of the interesting candidates for replacing conventional solar cells. However, the different aspects of their properties including mechanical strength and stability are not well recognized. Therefore, in the present study, we aim to explore the chaotic responses of these organic solar cells. In doing so, a specific type of organic solar cell constructed from layers of material with different thicknesses is considered to obtain vibrational and chaotic responses under different boundaries and initial conditions. A square plate structure is examined with first-order shear deformation theory to acquire the displacement field in the laminated structure. The bounding between different layers is considered to be perfect with no sliding and separation. On the other hand, nonlocal elasticity theory is engaged in incorporating the structural effects of the organic material into calculations. Hamilton's principle is adopted to obtain governing equations with regard to boundary conditions and mechanical loadings. The extracted equations of motion were solved using the perturbation method and differential quadrature approach. The results demonstrated the significant effect of relative glass layer thickness on the chaotic behavior of the structure with higher relative thickness leading to less chaotic responses. Moreover, a comprehensive parameter study is presented to examine the effects of nonlocality and relative thicknesses on the natural frequency of square organic solar cell structure.
R. Bina;M. Soltani Tehrani;A. Ahmadi;A. Ghanim Taki;R. Akbarian
Steel and Composite Structures
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제52권4호
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pp.487-499
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2024
The primary objective of this study is to analyze the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with a defective core and wavy carbon nanotube (CNT)-enhanced face sheets, utilizing the three-dimensional theory of elasticity. The intricate equations of motion for the structure are solved semi-analytically using the generalized differential quadrature method. The shell structure consists of a damaged isotropic core and two external face sheets. The distributions of CNTs are either functionally graded (FG) or uniform across the thickness, with their mechanical properties determined through an extended rule of mixture. In this research, the conventional theory regarding the mechanical effectiveness of a matrix embedding finite-length fibers has been enhanced by introducing tube-to-tube random contact. This enhancement explicitly addresses the progressive reduction in the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The study investigates the influence of a damaged matrix, CNT distribution, volume fraction, aspect ratio, and waviness on the free vibration characteristics of the sandwich cylindrical shell with wavy CNT-reinforced face sheets. Unlike two-dimensional theories such as classical and the first shear deformation plate theories, this inquiry is grounded in the three-dimensional theory of elasticity, which comprehensively accounts for transverse normal deformations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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