Ola A. Siam;Rabab A. Shanab;Mohamed A. Eltaher;Norhan A. Mohamed
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.3
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pp.257-279
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2023
This manuscript is dedicated to deriving the closed form solutions of free vibration of viscoelastic nanobeam embedded in an elastic medium using nonlocal differential Eringen elasticity theory that not considered before. The kinematic displacements of Euler-Bernoulli and Timoshenko theories are developed to consider the thin nanobeam structure (i.e., zero shear strain/stress) and moderated thick nanobeam (with constant shear strain/stress). To consider the internal damping viscoelastic effect of the structure, Kelvin/Voigt constitutive relation is proposed. The perforation geometry is intended by uniform symmetric squared holes arranged array with equal space. The partial differential equations of motion and boundary conditions of viscoelastic perforated nonlocal nanobeam with elastic foundation are derived by Hamilton principle. Closed form solutions of damped and natural frequencies are evaluated explicitly and verified with prestigious studies. Parametric studies are performed to signify the impact of elastic foundation parameters, viscoelastic coefficients, nanoscale, supporting boundary conditions, and perforation geometry on the dynamic behavior. The closed form solutions can be implemented in the analysis of viscoelastic NEMS/MEMS with perforations and embedded in elastic medium.
This study focuses on wave propagation analysis in the curved nanobeam exposed to different thermal loadings based on the Nonlocal Strain Gradient Theory (NSGT). Mechanical properties of the constitutive materials are assumed to be temperature-dependent and functionally graded. For modeling, the governing equations are derived using Hamilton's principle. Using the proposed model, the effects of small-scale, geometrical, and thermo-mechanical parameters on the dynamic behavior of the curved nanobeam are studied. A small-scale parameter, Z, is taken into account that collectively represents the strain gradient and the nonlocal parameters. When Z<1 or Z>1, the phase velocity decreases/increases, and the stiffness-softening/hardening phenomenon occurs in the curved nanobeam. Accordingly, the phase velocity depends more on the strain gradient parameter rather than the nonlocal parameter. As the arc angle increases, more variations in the phase velocity emerge in small wavenumbers. Furthermore, an increase of ∆T causes a decrease in the phase velocity, mostly in the case of uniform temperature rise rather than heat conduction. For verification, the results are compared with those available for the straight nanobeam in the previous studies. It is believed that the findings will be helpful for different applications of curved nanostructures used in nano-devices.
In this study, nonlinear vibrations and dynamic instabilities of a smart embedded micro shell conveying varied fluid flow and subjected to the combined electro-thermo-mechanical loadings are investigated. With the aim of designing new hydraulic sensors and actuators, the piezoelectric materials are employed for the body and the effects of applying electric field on the stability of the system as well as the induced voltage due to the dynamic behavior of the system are studied. The nonlocal piezoelasticity theory and the nonlinear cylindrical shell model in conjunction with the energy approach are utilized to mathematically modeling of the structure. The fluid flow is assumed to be isentropic, incompressible and fully develop, and for more generality of the problem both steady and time dependent flow regimes are considered. The mathematical modeling of fluid flow is also carried out based on a scalar potential function, time mean Navier-Stokes equations and the theory of slip boundary condition. Employing the modified Lagrange equations for open systems, the nonlinear coupled governing equations of motion are achieved and solved via the state space problem; forth order numerical integration and Bolotin's method. In the numerical results, a comprehensive discussion is made on the dynamical instabilities of the system (such as divergence, flutter and parametric resonance). We found that applying positive electric potential field will improve the stability of the system as an actuator or vibration amplitude controller in the micro electro mechanical systems.
The current study deals with the size-dependent free vibration analysis of graphene nanoplatelets (GNPs) reinforced polymer nanocomposite plates resting on Pasternak elastic foundation containing different boundary conditions. Based on a four variable refined shear deformation plate theory, which considers shear deformation effect, in conjunction with the Eringen nonlocal elasticity theory, which contains size-dependency inside nanostructures, the equations of motion are established through Hamilton's principle. Moreover, the effective material properties are estimated via the Halpin-Tsai model as well as the rule of mixture. Galerkin's mathematical formulation is utilized to solve the equations of motion for the vibrational problem with different boundary conditions. Parametrical examples demonstrate the influences of nonlocal parameter, total number of layers, weight fraction and geometry of GNPs, elastic foundation parameter, and boundary conditions on the frequency characteristic of the GNPs reinforced nanoplates in detail.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.10
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pp.820-826
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2009
The anisotropic phonon conductions with varying Joule heating rate of the silicon film in Silicon-on-Insulator devices are examined using the electron-phonon interaction model. It is found that the phonon heat transfer rate at each boundary of Si-layer has a strong dependence on the heating power rate. And the phonon flow decreases when the temperature gradient has a sharp change within extremely short length scales such as phonon mean free path. Thus the heat generated in the hot spot region is removed primarily by heat conduction through Si-layer at the higher Joule heating level and the phonon nonlocality is mainly attributed to lower group velocity phonons as remarkably dissimilar to the case of electrons in laser heated plasmas. To validate these observations the modified phonon nonlocal model considering complete phonon dispersion relations is introduced as a correct form of the conventional theory. We also reveal that the relation between the phonon heat deposition time from the hot spot region and the relaxation time in Si-layer can be used to estimate the intrinsic thermal resistance in the parallel heat flow direction as Joule heating level varies.
For the first time, nonlocal damped vibration and buckling analyses of arbitrary tapered bidirectional functionally graded solid circular nano-plate (BDFGSCNP) are presented by employing modified spectral Ritz method. The energy method based on Love-Kirchhoff plate theory assumptions is applied to derive neutral equilibrium equation. The Eringen's nonlocal continuum theory is taken into account to capture small-scale effects. The characteristic equations and corresponding first mode shapes are calculated by using a novel modified basis in spectral Ritz method. The modified basis is in terms of orthogonal shifted Chebyshev polynomials of the first kind to avoid employing adhesive functions in the spectral Ritz method. The fast convergence and compatibility with various conditions are advantages of the modified spectral Ritz method. A more accurate multivariable function is used to model two-directional variations of elasticity modulus and mass density. The effects of nanoscale, in-plane pre-load, distributed dashpot, arbitrary tapering, pinned and clamped boundary conditions on natural frequencies and buckling loads are investigated. Observing an excellent agreement between results of current work and outcomes of previously published works in literature, indicates the results' accuracy in current work.
The current study presents a new technique in the framework of the nonlocal elasticity theory for a comprehensive buckling analysis of Euler-Bernoulli nano-beams made up of bidirectional functionally graded material (BDFGM). The mechanical properties are considered by exponential and arbitrary variations for axial and transverse directions, respectively. The various circumstances including tapering, resting on two-parameter elastic foundation, step-wise or continuous variations of axial loading, various shapes of sections with various distribution laws of mechanical properties and various boundary conditions like the multi-span beams are taken into account. As far as we know, for the first time in the current work, the buckling analyses of BDFGM nano-beams are carried out under mentioned circumstances. The critical buckling loads and mode shapes are calculated by using energy method and a new technique based on calculus of variations and collocation method. Fast convergence and excellent agreement with the known data in literature, wherever possible, presents the efficiency of proposed technique. The effects of boundary conditions, material and taper constants, foundation moduli, variable axial compression and small-scale of nano-beam on the buckling loads and mode shapes are investigated. Moreover the analytical solutions, for the simpler cases are provided in appendices.
In this paper, reaction of functionally graded (FG) thick nanoplates resting on a viscoelastic foundation to a moving nanoparticle/load is investigated. Nanoplate is assumed to be thick by using second order shear deformation theory and small-scale effects are taken into account in the framework of Eringen's nonlocal theory. Material properties are varied through the thickness using FG models by having power-law, sigmoid and exponential functions for material changes. FG nanoplate is assumed to be on a viscoelastic medium which is modeled using Kelvin-Voight viscoelastic model. Galerkin, state space and fourth-order Runge-Kutta methods are employed to solve the governing equations. A comprehensive parametric study is presetned to show the influence of different parameters on mechanical behavior of the system. It is shown that material variation in conjunction with nonlocal term have a significant effect on the dynamic deformation of nanoplate which could be used in comprehending and designing more efficient nanostructures. Moreover, it is shown that having a viscoelastic medium could play an important role in decreasing these dynamic deformations. With respect to the fresh studies on moving atoms, molecules, cells, nanocars, nanotrims and point loads on different nanosctructures using scanning tunneling microscopes (STM) and atomic force microscopes (AFM), this study could be a step forward in understanding, predicting and controlling such kind of behaviors by showing the influence of the moving path, velocity etc. on dynamic reaction of the plate.
Ebrahimi, Farzad;Hosseini, S. Hamed S.;Selvamani, Rajendran
Structural Engineering and Mechanics
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v.73
no.5
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pp.565-584
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2020
The nonlinear thermo-electro-elastic buckling behavior of viscoelastic nanoplates under magnetic field is investigated based on nonlocal elasticity theory. Employing nonlinear strain-displacement relations, the geometrical nonlinearity is modeled while governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi-analytical generalized differential quadrature (GDQ) method. Eringen's nonlocal elasticity theory considers the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nano-sensors and nano actuators. Based on Kelvin-Voigt model, the influence of the viscoelastic coefficient is also discussed. It is demonstrated that the GDQ method has high precision and computational efficiency in the buckling analysis of viscoelastic nanoplates. The good agreement between the results of this article and those available in literature validated the presented approach. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as electric voltage, small scale effects, elastomeric medium, magnetic field, temperature effects, the viscidity and aspect ratio of the nanoplate on its nonlinear buckling characteristics. It is explicitly shown that the thermo-electro-elastic nonlinear buckling behavior of viscoelastic nanoplates is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of viscoelastic nanoplates as fundamental elements in nanoelectromechanical systems.
This work deals with the size-dependent wave propagation analysis of functionally graded (FG) anisotropic nanoplates based on a nonlocal strain gradient refined plate model. The present model incorporates two scale coefficients to examine wave dispersion relations more accurately. Material properties of FG anisotropic nanoplates are exponentially varying in the z-direction. In order to solve the governing equations for bulk waves, an analytical method is performed and wave frequencies and phase velocities are obtained as a function of wave number. The influences of several important parameters such as material graduation exponent, geometry, Winkler-Pasternak foundation parameters and wave number on the wave propagation of FG anisotropic nanoplates resting on the elastic foundation are investigated and discussed in detail. It is concluded that these parameters play significant roles on the wave propagation behavior of the nanoplates. From the best knowledge of authors, it is the first time that FG nanoplate made of anisotropic materials is investigated, so, presented numerical results can serve as benchmarks for future analysis of such structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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