Arjun Siddharth Mangalasseri;Vinyas Mahesh;Sriram Mukunda;Vishwas Mahesh;Sathiskumar A Ponnusami;Dineshkumar Harursampath;Abdelouahed Tounsi
Advances in nano research
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v.14
no.1
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pp.27-43
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2023
This article investigates the energy harvesting characteristics of a magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam reinforced with carbon nanotubes (CNT) under transverse vibration. To this end, the well-known lumped parameter model is used to represent the coupled multiphysics problem mathematically. The proposed system consists of the MEE-CNT layer on top and an inactive substrate layer at the bottom. The substrate is considered to be made of either an isotropic or composite material. Basic laws such as Gauss's Law, Newton's Law and Faraday's Law are used to arrive at the governing equations. Surface electrodes across the beam are used to harvest the electric potential produced, together with a wound coil, for the generated magnetic potential. The influence of various distributions of the CNT and its volume fraction, substrate material, length-to-thickness ratio, and thickness ratio of substrate to MEE layer on the energy harvesting behaviour is thoroughly discussed. Further, the effect of external resistances and changes in substrate material on the response is analysed and reported. The article aims to explore smart material-based energy harvesting systems, focusing on their behaviour when reinforced with carbon nanotubes. The results of this study may lead to an improved understanding of the design and analysis of CNT-based smart structures.
An analytical formulation and solution process for the buckling analysis of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) beam via different thermal loadings and various boundary conditions is suggested in this paper. Magneto electro mechanical coupling properties of FGM beam are taken to vary via the thickness direction of beam. The rule of power-law is changed to consider inclusion of porosity according to even and uneven distribution. Pores possibly occur inside FGMs due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. Change in pores along the thickness direction stimulates the mechanical and physical properties. Four-variable tangential-exponential refined theory is employed to derive the governing equations and boundary conditions of porous FGM beam under magneto-electrical field via Hamilton's principle. An analytical model procedure is adopted to achieve the non-dimensional buckling load of porous FG beam exposed to magneto-electrical field with various boundary conditions. In order to evaluate the influence of thermal loadings, material graduation exponent, coefficient of porosity, porosity distribution, magnetic potential, electric voltage and boundary conditions on the critical buckling temperature of the beam made of magneto electro elastic FG materials with porosities a parametric study is presented. It is concluded that these parameters play remarkable roles on the buckling behavior of porous MEE-FG beam. The results for simpler states are proved for exactness with known data in the literature. The proposed numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG beam with porosity phases.
Kargar, Javad;Arani, Ali Ghorbanpour;Arshid, Ehsan;Rahaghi, Mohsen Irani
Structural Engineering and Mechanics
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v.78
no.5
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pp.557-572
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2021
The current study considers free vibration of the spherical panel with magnetorheological (MR) fluids core and magneto-electro-elastic face sheets. The panel is subjected to electro-magnetic loads and also is located on an orthotropic visco-Pasternak elastic foundation. To describe the displacement components of the structure, the first-order shear deformation theory (FSDT) is used and the motion equations are extracted by employing Hamilton's principle. To solve the motion differential equations, Navier's method is selected as an exact analytical solution for simply supported boundary conditions. Effect of the most important parameters such as magnetic field intensity, loss factor, multi-physical loads, types of an elastic medium, geometrical properties of the panel, and also different material types for the face sheets on the results is considered and discussed in details. The outcomes of the present work may be used to design more efficient smart structures such as sensors and actuators.
The present article examines the static response of multilayered magneto-electro-elastic (MEE) beam in thermal environment through finite element (FE) methods. On the basis of the minimum total potential energy principle and the coupled constitutive equations of MEE material, the FE equilibrium equations of cantilever MEE beam is derived. Maxwell's equations are considered to establish the relation between electric field and electric potential; magnetic field and magnetic potential. A simple condensation approach is employed to solve the global FE equilibrium equations. Further, numerical evaluations are made to examine the influence of different in-plane and through-thickness temperature distributions on the multiphysics response of MEE beam. A parametric study is performed to evaluate the effect of stacking sequence and different temperature profiles on the direct and derived quantities of MEE beam. It is believed that the results presented in this article serve as a benchmark for accurate design and analysis of the MEE smart structures in thermal applications.
In this article, the multiphysics response of magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam subjected to thermo-mechanical loading is analysed. The equilibrium equations of the system are obtained with the aid of the principle of total potential energy. The constitutive equations of a MEE material accounting the thermal fields are used for analysis. The corresponding finite element (FE) formulation is derived and model of the beam is generated using an eight noded 3D brick element. The 3D FE formulation developed enables the representation of governing equations in all three axes, achieving accurate results. Also, geometric, constitutive and loading assumptions required to dimensionality reduction can be avoided. Numerical evaluation is performed on the basis of the derived formulation and the influence of various mechanical loading profiles and volume fractions on the direct quantities and stresses is evaluated. In addition, an attempt has been made to compare the individual effect of thermal and mechanical loading with the combined effect. It is believed that the numerical results obtained helps in accurate design and development of sensors and actuators.
A four-variable shear deformation refined plate theory has been proposed for dynamic characteristics of smart plates made of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) materials with various boundary conditions by using an analytical method. Magneto-electro-elastic properties of FGM plate are supposed to vary through the thickness direction and are estimated through the modified power-law rule in which the porosities with even and uneven type are approximated. Pores possibly occur inside functionally graded materials (FGMs) due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. The variation of pores along the thickness direction influences the mechanical properties. The governing differential equations and boundary conditions of embedded porous FGM plate under magneto-electrical field are derived through Hamilton's principle based on a four-variable tangential-exponential refined theory which avoids the use of shear correction factors. An analytical solution procedure is used to achieve the natural frequencies of embedded porous FG plate supposed to magneto-electrical field with various boundary condition. A parametric study is led to carry out the effects of material graduation exponent, coefficient of porosity, magnetic potential, electric voltage, elastic foundation parameters, various boundary conditions and plate side-to-thickness ratio on natural frequencies of the porous MEE-FG plate. It is concluded that these parameters play significant roles on the dynamic behavior of porous MEE-FG plates. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG plates with porosity phases.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.18
no.9
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pp.52-60
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2017
This study examined the structural stability of nonlocal magneto-electro-elastic nano plates on elastic foundations using first-order shear deformation theory. Navier's method has been used to solve the buckling loads for all edges simply supported boundary conditions. On the other hand, biaxial buckling analysis of nano-plates has beenrarely studied. According to the Maxwell equation and the magneto-electro boundary condition, the change inthe magnetic and electric potential along the thickness direction of the magneto-electro-elastic nano plate wasdetermined. To reformulate the elasticity theory of the magneto- electro-elastic nano plate, the differential constitutive equation of Eringen was used and the governing equation of the nonlocal elasticity theory was studied using variational theory. The effects of the elastic foundation arebased on Pasternak's assumption. The relationship between nonlocal theory and local theory was analyzed through calculation results. In addition, structural stability problems were investigated according to the electric and magnetic potentials, nonlocal parameters, elastic foundation parameters, and side-to-thickness ratio. The results of the analysis revealedthe effects of the magnetic and electric potential. These calculations can be used to compare future research on new material structures made of magneto-electro-elastic materials.
Mirjavadi, Sayed Sajad;Bayani, Hassan;Khoshtinat, Navid;Forsat, Masoud;Barati, Mohammad Reza;Hamouda, A.M.S
Smart Structures and Systems
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v.26
no.5
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pp.631-640
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2020
In this paper, nonlinear vibration behaviors of multi-phase Magneto-Electro-Elastic (MEE) doubly-curved nanoshells have been studied employing Jacobi elliptic function method. The doubly-curved nanoshell has been modeled by using nonlocal elasticity and classic shell theory. An exact estimation of nonlinear vibrational behavior of smart doubly-curved nanoshell has been obtained via Jacobi elliptic function method. This method can incorporate the influences of higher order harmonics leading to an exact estimation of nonlinear vibration frequency. It will be indicated that nonlinear vibrational frequency of doubly-curved nanoshell relies on nonlocal effect, material composition, curvature radius, center deflection and electro-magnetic field.
In this paper, analysis of thermal post-buckling behaviors of sandwich nanobeams with two layers of multi-phase magneto-electro-thermo-elastic (METE) composites have been presented considering geometric imperfection effects. Multi-phase METE material is composed form piezoelectric and piezo-magnetic constituents for which the material properties can be controlled based on the percentages of the constituents. Nonlinear governing equations of sandwich nanobeam are derived based on nonlocal elasticity theory together with classic thin beam model and an analytical solution is provided. It will be shown that post-buckling behaviors of sandwich nanobeam in thermo-electro-magnetic field depend on the constituent's percentages. Buckling temperature of sandwich nanobeam is also affected by nonlocal scale factor, magnetic field intensity and electrical voltage.
This study presents the investigation of wave dispersion characteristics of a magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) nanosize beam utilizing nonlocal strain gradient theory (NSGT). In this theory, a material length scale parameter is propounded to show the influence of strain gradient stress field, and likewise, a nonlocal parameter is nominated to emphasize on the importance of elastic stress field effects. The material properties of heterogeneous nanobeam are supposed to vary smoothly through the thickness direction based on power-law form. Applying Hamilton's principle, the nonlocal governing equations of MEE-FG nanobeam are derived. Furthermore, to derive the wave frequency, phase velocity and escape frequency of MEE-FG nanobeam, an analytical solution is employed. The validation procedure is performed by comparing the results of present model with results exhibited by previous papers. Results are rendered in the framework of an exact parametric study by changing various parameters such as wave number, nonlocal parameter, length scale parameter, gradient index, magnetic potential and electric voltage to show their influence on the wave frequency, phase velocity and escape frequency of MEE-FG nanobeams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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