In the realm of nanotechnology, the nonlocal strain gradient theory takes center stage as it scrutinizes the behavior of spinning cantilever nanobeams and nanotubes, pivotal components supporting various mechanical movements in sport structures. The dynamics of these structures have sparked debates within the scientific community, with some contending that nonlocal cantilever models fail to predict dynamic softening, while others propose that they can indeed exhibit stiffness softening characteristics. To address these disparities, this paper investigates the dynamic response of a nonlocal cantilever cylindrical beam under the influence of external discontinuous dynamic loads. The study employs four distinct models: the Euler-Bernoulli beam model, Timoshenko beam model, higher-order beam model, and a novel higher-order tube model. These models account for the effects of functionally graded materials (FGMs) in the radial tube direction, giving rise to nanotubes with varying properties. The Hamilton principle is employed to formulate the governing differential equations and precise boundary conditions. These equations are subsequently solved using the generalized differential quadrature element technique (GDQEM). This research not only advances our understanding of the dynamic behavior of nanotubes but also reveals the intriguing phenomena of both hardening and softening in the nonlocal parameter within cantilever nanostructures. Moreover, the findings hold promise for practical applications, including drug delivery, where the controlled vibrations of nanotubes can enhance the precision and efficiency of medication transport within the human body. By exploring the multifaceted characteristics of nanotubes, this study not only contributes to the design and manufacturing of rotating nanostructures but also offers insights into their potential role in revolutionizing drug delivery systems.
Abdulrazzaq, Mohammed Abdulraoof;Fenjan, Raad M.;Ahmed, Ridha A.;Faleh, Nadhim M.
Steel and Composite Structures
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v.35
no.1
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pp.147-157
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2020
In the present research, thermo-elastic buckling of small scale functionally graded material (FGM) nano-size plates with clamped edge conditions rested on an elastic substrate exposed to uniformly, linearly and non-linearly temperature distributions has been investigated employing a secant function based refined theory. Material properties of the FGM nano-size plate have exponential gradation across the plate thickness. Using Hamilton's rule and non-local elasticity of Eringen, the non-local governing equations have been stablished in the context of refined four-unknown plate theory and then solved via an analytical method which captures clamped boundary conditions. Buckling results are provided to show the effects of different thermal loadings, non-locality, gradient index, shear deformation, aspect and length-to-thickness ratios on critical buckling temperature of clamped exponential graded nano-size plates.
This paper presents a free vibration analysis of size-dependent functionally graded (FG) nanobeams with all surface effects considerations on the basis of modified couple stress theory. The material properties of FG nanobeam are assumed to vary according to power law distribution. Based on the Euler-Bernoulli beam theory, the modeled nanobeam and its equations of motion are derived using Hamilton's principle. An analytical method is used to discretize the model and the equation of motion. The model is validated by comparing the benchmark results with the obtained results. Results show that the vibration behavior of a nanobeam is significantly influenced by surface density, surface tension and surface elasticity. Also, it is shown that by increasing the beam size, influence of surface effect reduces to zero, and the natural frequency tends to its classical value.
This paper presents a three-dimensional displacement-based formulation to investigate the free vibration of functionally graded nanoplates resting on a Winkler-Pasternak foundation based on the nonlocal elasticity theory. The material properties of the FG nanoplate are considered to vary continuously through the thickness of the nanoplate according to the power-law distribution model. A general three-dimensional displacement field is considered for the plate, which takes into account the out-of-plane strains of the plate as well as the in-plane strains. Unlike the shear deformation theories, in the present formulation, no predetermined form for the distribution of displacements and transverse strains is considered. The equations of motion for functionally graded nanoplate are derived based on Hamilton's principle. The solution is obtained for simply-supported nanoplate, and the predicted results for natural frequencies are compared with the predictions of shear deformation theories which are available in the literature. The predictions of the present theory are discussed in detail to investigate the effects of power-law index, length-to-thickness ratio, mode numbers and the elastic foundation on the dynamic behavior of the functionally graded nanoplate. The present study presents a three-dimensional solution that is able to determine more accurate results in predicting of the natural frequencies of flexural and thickness modes of nanoplates. The effects of parameters that play a key role in the analysis and mechanical design of functionally graded nanoplates are investigated.
Ali Alnujaie;Ahmed A. Daikh;Mofareh H. Ghazwani;Amr E. Assie;Mohamed A Eltaher
Advances in nano research
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v.17
no.2
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pp.181-195
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2024
This study introduces a novel functionally graded material model, termed the "Coated Functionally Graded Graphene-Reinforced Composite (FG GRC)" model, for investigating the free vibration response of plates, highlighting its potential to advance the understanding and application of material property variations in structural engineering. Two types of coated FG GRC plates are examined: Hardcore and Softcore, and five distribution patterns are proposed, namely FG-A, FG-B, FG-C, FG-D, and FG-E. A modified displacement field is proposed based on the higher-order shear deformation theory, effectively reducing the number of variables from five to four while accurately accounting for shear deformation effects. To solve the equations of motion, an analytical solution based on the Galerkin approach was developed for FG GRC plates resting on a viscoelastic Winkler/Pasternak foundation, applicable to various boundary conditions. A comprehensive parametric analysis elucidates the impact of multiple factors on the fundamental frequencies. These factors encompass the types and distribution patterns of the coated FG GRC plates, gradient material distribution, porosities, nonlocal length scale parameter, gradient material scale parameter, nanoplate geometry, and variations in the elastic foundation. Our theoretical research aims to overcome the inherent challenges in modeling structures, providing a robust alternative to experimental analyses of the mechanical behavior of complex structures.
In the present article bending, buckling and vibration analyses of tapered beams using Eringen non-local elasticity theory are being carried out. The associated governing differential equations are solved employing Rayleigh-Ritz method. Both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are considered in the analyses. Present results are in good agreement with those reported in literature. Beam material is considered to be made up of functionally graded materials (fgms). Non-local analyses for tapered beam with simply supported - simply supported, clamped - simply supported and clamped - free boundary conditions are carried out and discussed. Further, effect of length to height ratio on maximum deflections, vibration frequencies and critical buckling loads are studied.
This research is concerned with post-buckling investigation of nano-scaled beams constructed from porous functionally graded (FG) materials taking into account geometrical imperfection shape. Hence, two types of nanobeams which are perfect and imperfect have been studied. Porous FG materials are classified based on even or uneven porosity distributions. A higher order nonlinear refined beam theory is used in the present research. Both perfect and imperfect nanobeams are formulated based on this refined theory. A detailed study is provided to understand the effects of geometric imperfection, pore distribution, material distribution and small scale effects on buckling of FG nanobeams.
This present article represents the study of the forced vibration of nanobeam of a single-walled carbon nanotube (SWCNTs) surrounded by a polymer matrix. The modeling was done according to the Euler-Bernoulli beam model and with the application of the non-local continuum or elasticity theory. Particulars cases of the local elasticity theory have also been studied for comparison. This model takes into account the different effects of the interaction of the Winkler's type elastic medium with the nanobeam of carbon nanotubes. Then, a study of the influence of the amplitude distribution and the frequency was made by variation of some parameters such as (scale effect ($e_0{^a}$), the dimensional ratio or aspect ratio (L/d), also, bound to the mode number (N) and the effect of the stiffness of elastic medium ($K_w$). The results obtained indicate the dependence of the variation of the amplitude and the frequency with the different parameters of the model, besides they prove the local effect of the stresses.
This paper develops a four-unknown refined plate theory and the Galerkin method to investigate the size-dependent stability behavior of functionally graded material (FGM) under the thermal environment and the FGM having temperature-dependent material properties. In the current study two scale coefficients are considered to examine buckling behavior much accurately. Reuss micromechanical scheme is utilized to estimate the material properties of inhomogeneous nano-size plates. Governing differential equations, classical and non-classical boundary conditions are obtained by utilizing Hamiltonian principles. The results showed the high importance of considering temperature-dependent material properties for buckling analysis. Different influencing parametric on the buckling is studied which may help in design guidelines of such complex structures.
This paper studies the buckling response of nonuniform functionally graded micro-sized tubes according to the high-order tube theory (HOTT) and classical beam theory (CBT) in addition to nonlocal strain gradient theory. The microtube is made of axially functionally graded material (AFGM). Both inner and outer tube radiuses are changed along the tube length; the microtube is the truncated conical type of tube. The nonlinear partial differential (PD) the formulations are obtained on the basis of the energy conservation method. Then, the linear and nonlinear results are computed via a powerful numerical approach. Finally, the impact of various parameters on the stability of axially functionally graded (AFG) microtube regarding the buckling analysis is discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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