Arani, Ali Ghorbanpour;Kolahchi, Reza;Esmailpour, Masoud
Smart Structures and Systems
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제18권4호
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pp.787-800
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2016
The aim of the paper is to analyze nonlinear transverse vibration of an embedded piezoelectric plate reinforced with single walled carbon nanotubes (SWCNTs). The system in rested in a Pasternak foundation. The micro-electro-mechanical model is employed to calculate mechanical and electrical properties of nanocomposite. Using nonlinear strain-displacement relations and considering charge equation for coupling between electrical and mechanical fields, the motion equations are derived based on energy method and Hamilton's principle. These equations can't be solved analytically due to their nonlinear terms. Hence, differential quadrature method (DQM) is employed to solve the governing differential equations for the case when all four ends are clamped supported and free electrical boundary condition. The influences of the elastic medium, volume fraction and orientation angle of the SWCNTs reinforcement and aspect ratio are shown on frequency of structure. The results indicate that with increasing volume fraction of SWCNTs, the frequency increases. This study might be useful for the design and smart control of nano/micro devices such as MEMS and NEMS.
This paper deals with free vibration analysis of continuous grading fiber reinforced (CGFR) and bi-directional FG annular sector plates on two-parameter elastic foundations under various boundary conditions, based on the three-dimensional theory of elasticity. The plates with simply supported radial edges and arbitrary boundary conditions on their circular edges are considered. A semi-analytical approach composed of differential quadrature method (DQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. Some new results for the natural frequencies of the plate are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. Results indicate that the non-dimensional natural frequency parameter of a functionally graded fiber volume fraction is larger than that of a discrete laminated and close to that of a 2-layer. It results that the CGFR plate attains natural frequency higher than those of traditional discretely laminated composite ones and this can be a benefit when higher stiffness of the plate is the goal and that is due to the reduction in spatial mismatch of material properties. Moreover, it is shown that a graded ceramic volume fraction in two directions has a higher capability to reduce the natural frequency than conventional one-dimensional functionally graded material. The multidirectional graded material can likely be designed according to the actual requirement and it is a potential alternative to the unidirectional functionally graded material. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
In this work, the dynamic stability of carbon nanotubes (CNTs) reinforced composite pipes conveying pulsating fluid flow is investigated. The pipe is surrounded by viscoelastic medium containing spring, shear and damper coefficients. Due to the existence of CNTs, the pipe is subjected to a 2D magnetic field. The radial induced force by pulsating fluid is obtained by the Navier-Stokes equation. The equivalent characteristics of the nanocomposite structure are calculated using Mori-Tanaka model. Based on first order shear deformation theory (FSDT) or Mindlin theory, energy method and Hamilton's principle, the motion equations are derived. Using harmonic differential quadrature method (HDQM) in conjunction with the Bolotin's method, the dynamic instability region (DIR) of the system is calculated. The effects of different parameters such as volume fraction of CNTs, magnetic field, boundary conditions, fluid velocity and geometrical parameters of pipe are shown on the DIR of the structure. Results show that with increasing volume fraction of CNTs, the DIR shifts to the higher frequency. In addition, the DIR of the structure will be happened at lower excitation frequencies with increasing the fluid velocity.
Eyvazian, Arameh;Musharavati, Farayi;Tarlochan, Faris;Pasharavesh, Abdolreza;Rajak, Dipen Kumar;Husain, Mohammed Bakr;Tran, Tron Nhan
Structural Engineering and Mechanics
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제75권1호
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pp.1-18
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2020
Present research is aimed to investigate the free vibration behavior of functionally graded (FG) nanocomposite conical panel reinforced by graphene platelets (GPLs) on the elastic foundation. Winkler-Pasternak elastic foundation surrounds the mentioned shell. For each ply, graphaene platelets are randomly oriented and uniformly dispersed in an isotropic matrix. It is assumed that the Volume fraction of GPLs reainforcement could be different from layer to layer according to a functionally graded pattern. The effective elastic modulus of the conical panel is estimated according to the modified Halpin-Tsai rule in this manuscript. Cone is modeled based on the first order shear deformation theory (FSDT). Hamilton's principle and generalized differential quadrature (GDQ) approach are also used to derive and discrete the equations of motion. Some evaluations are provided to compare the natural frequencies between current study and some experimental and theoretical investigations. After validation of the accuracy of the present formulation and method, natural frequencies and the corresponding mode shapes of FG-GPLRC conical panel are developed for different parameters such as boundary conditions, GPLs volume fraction, types of functionally graded and elastic foundation coefficients.
Centrifugal pumps consume considerable amount of energy in various industrial applications. Therefore, improvement of the efficiency of these machines has become a major challenge. Cavitation is a phenomenon which decreases the pump efficiency and even causes structural demage. Hence, the goal of this paper is to investigate the cavitation problem in the single-stage and double-stage centrifugal pumps. The Volume of Fraction (VOF) method has been used for the numerical simulations together with Rayliegh-Plesset model for the gas-liquid two-phase flow inside the pump. In order to capture the turbulent phenomena, the standard k-${\varepsilon}$ turbulence model has been adopted, and the simulations have been done as unsteady cases. In addition, the motion of the rotating parts has been simulated using Multi Reference Frame(MRF) method. The results are presented and compared in terms of hydraulic head and NPSH for both the single-stage and double-stage pumps. The H-Q curves show the effects of cavitation on decreasing the pumps performances.
In the present work, ethylene glycol-based (EG) copper oxide nanofluids were synthesized by pulsed wire evaporation method. In order to explode the pure copper wire, high voltage of 23 kV was applied to the both ends of wire and argon/oxygen gas mixture was used as reactant gas. EG-based copper oxide nanofluids with different volume fraction were prepared by controlling explosion number of copper wire. From the transmission electron microscope (TEM) image, it was found that the copper oxide nanoparticles exhibited an average diameter about 100 nm with the oxide layer of 2~3 nm. The synthesized copper oxide consists of CuO/$Cu_2O$ phases and the Brunauer Emmett Teller (BET) surface area was estimated to be $6.86\;m^2\;g^{-1}$. From the analyses of thermal properties, it is suggested that viscosity and thermal conductivity of EG-based copper oxide nanofluids do not show temperature-dependent behavior over the range of 20 to $90^{\circ}C$. On the other hand, the viscosity and thermal conductivity of EG-based copper oxide nanofluids increase with volume fraction due to the active Brownian motion of the nanoparticles, i.e., nanoconvection.
This paper investigates the size dependent effect on the vibration analysis of a porous nanocomposite viscoelastic plate reinforced by functionally graded-single walled carbon nanotubes (FG-SWCNTs) by considering nonlocal strain gradient theory. Therefore, using energy method and Hamilton's principle, the equations of motion are derived. In this article, the effects of nonlocal parameter, aspect ratio, strain gradient parameter, volume fraction of carbon nanotubes (CNTs), damping coefficient, porosity coefficient, and temperature change on the natural frequency are perused. The innovation of this paper is to compare the effectiveness of each mentioned parameters individually on the free vibrations of this plate and to represent the appropriate value for each parameter to achieve an ideal nanocomposite plate that minimizes vibration. The results are verified with those referenced in the paper. The results illustrate that the effect of damping coefficient on the increase of natural frequency is significantly higher than the other parameters effect, and the effects of the strain gradient parameter and nonlocal parameter on the natural frequency increase are less than damping coefficient effect, respectively. Furthermore, the results indicate that the natural frequency decreases with a rise in the nonlocal parameter, aspect ratio and temperature change. Also, the natural frequency increases with a rise in the strain gradient parameter and CNTs volume fraction. This study can be used for optimizing the industrial and medical designs, such as automotive industry, aerospace engineering and water purification system, by considering ideal properties for the nanocomposite plate.
Yahia, Sihame Ait;Atmane, Hassen Ait;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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제53권6호
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pp.1143-1165
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2015
In this work, various higher-order shear deformation plate theories for wave propagation in functionally graded plates are developed. Due to porosities, possibly occurring inside functionally graded materials (FGMs) during fabrication, it is therefore necessary to consider the wave propagation in plates having porosities in this study. The developed refined plate theories have fewer number of unknowns and equations of motion than the first-order shear deformation theory, but accounts for the transverse shear deformation effects without requiring shear correction factors. The rule of mixture is modified to describe and approximate material properties of the functionally graded plates with porosity phases. The governing equations of the wave propagation in the functionally graded plate are derived by employing the Hamilton's principle. The analytic dispersion relation of the functionally graded plate is obtained by solving an eigenvalue problem. The effects of the volume fraction distributions and porosity volume fraction on wave propagation of functionally graded plate are discussed in detail. The results carried out can be used in the ultrasonic inspection techniques and structural health monitoring.
In this paper, free vibration characteristics of a rotating double tapered functionally graded beam is investigated. Material properties of the beam vary continuously through thickness direction according to the power-law distribution of the volume fraction of the constituents. The governing differential equations of motion are derived using the Hamilton's principle and solved utilizing an efficient and semi-analytical technique called the Differential Transform Method (DTM). Several important aspects such as taper ratios, rotational speed, hub radius, as well as the material volume fraction index which have impacts on natural frequencies of such beams are investigated and discussed in detail. Numerical results are tabulated in several tables and figures. In order to demonstrate the validity and accuracy of the current analysis, some of present results are compared with previous results in the literature and an excellent agreement is observed. It is showed that the natural frequencies of an FG rotating double tapered beam can be obtained with high accuracy by using DTM. It is also observed that nondimensional rotational speed, height taper ratio, power-law exponent significantly affect the natural frequencies of the FG double tapered beam while the effects of hub radius and breadth taper ratio are negligible.
The effect of porosity on bending and free vibration behavior of simply supported functionally graded plate reposed on the Winkler-Pasternak foundation is investigated analytically in the present paper. The modified rule of mixture covering porosity phases is used to describe and approximate material properties of the FGM plates with porosity phases. The effect due to transverse shear is included by using a new refined shear deformation theory. The number of unknown functions involved in the present theory is only four as against five or more in case of other shear deformation theories. The Poisson ratio is held constant. Based on the sinusoidal shear deformation theory, the position of neutral surface is determined and the equation of motion for FG rectangular plates resting on elastic foundation based on neutral surface is obtained through the minimum total potential energy and Hamilton's principle. The convergence of the method is demonstrated and to validate the results, comparisons are made with the available solutions for both isotropic and functionally graded material (FGM). The effect of porosity volume fraction on Al/Al2O3 and Ti-6Al-4V/Aluminum oxide plates are presented in graphical forms. The roles played by the constituent volume fraction index, the foundation stiffness parameters and the geometry of the plate is also studied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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