In the present study, nonlocal strain gradient theory (NSGT) is developed for wave propagation of functionally graded (FG) nanoscale plate in the thermal environment by considering the porosity effect. $Si_3N_4$ as ceramic phase and SUS304 as metal phase are regarded to be constitutive material of FG nanoplate. The porosity effect is taken into account on the basis of the newly extended method which considers coupling influence between Young's modulus and mass density. The motion relation is derived by applying Hamilton's principle. NSGT is implemented in order to account for small size effect. Wave frequency and phase velocity are obtained by solving the problem via an analytical method. The effects of different parameters such as porosity coefficient, gradient index, wave number, scale factor and temperature change on phase velocity and wave frequency of FG porous nanoplate have been examined and been presented in a group of illustrations.
Mohammad Hosseini;Parisa Chahargonbadizade;Mohammadreza Mofidi
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.4
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pp.335-354
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2023
In this study, analysis of wave propagation characteristics for functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) nanoplates is performed using first-order shear deformation theory (FSDT) and nonlocal strain gradient theory. Uniform distribution (UD) and three types of functionally graded distributions of carbon nanotubes (CNTs) are assumed. The effective mechanical properties of the FG-CNTRC nanoplate are assumed to vary continuously in the thickness direction and are approximated based on the rule of mixture. Also, the governing equations of motion are derived via the extended Hamilton's principle. In numerical examples, the effects of nonlocal parameter, wavenumber, angle of wave propagation, volume fractions, and carbon nanotube distributions on the wave propagation characteristics of the FG-CNTRC nanoplate are studied. As represented in the results, it is clear that the internal length-scale parameter has a remarkable effect on the wave propagation characteristics resulting in significant changes in phase velocity and natural frequency. Furthermore, it is observed that the strain gradient theory yields a higher phase velocity and frequency compared to those obtained by the nonlocal strain gradient theory and classic theory.
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.
The existing researches on the dynamics of the fluid-conveying pipes only focus on stability and vibration problems, and there is no literature report on the wave propagation of the fluid-conveying pipes. Therefore, the purpose of this paper is to explore the propagation characteristics of longitudinal and flexural waves in the fluid-conveying pipes. First, it is assumed that the material properties of the fluid-conveying pipes vary based on a power function of the thickness. In addition, it is assumed that the material properties of both the fluid and the pipes are closely depended on temperature. Using the Euler-Bernoulli beam equation and based on the linear theory, the motion equations considering the thermal-mechanical-fluid coupling is derived. Then, the exact expressions of phase velocity and group velocity of longitudinal waves and bending waves in the fluid-conveying pipes are obtained by using the eigenvalue method. In addition, we also studied the free vibration frequency characteristics of the fluid-conveying pipes. In the numerical analysis, we successively studied the influence of temperature, functional gradient index and liquid velocity on the wave propagation and vibration problems. It is found that the temperature and functional gradient exponent decrease the phase and group velocities, on the contrary, the liquid flow velocity increases the phase and group velocities. However, for vibration problems, temperature, functional gradient exponent parameter, and fluid velocity all reduce the natural frequency.
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.12
no.3
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pp.165-172
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2009
A set of equations for description of transformation of harmonic waves is proposed here. Velocity potential function and separation of variables are introduced for the derivation. The continuity equation is in a vertical plane is integrated through the water so that a horizontal one-dimensional wave equation is produced. The new equation composed of the complex velocity potential function, further be modified into. A set up of equations composed of the wave amplitude and wave phase gradient. The horizontally one-dimensional equations on the wave amplitude and wave phase gradient are the first and second-order ordinary differential equations. They are solved in a one-way marching manner starting from a side where boundary values are supplied, i.e. the wave amplitude, the wave amplitude gradient, and the wave phase gradient. Simple spatially-centered finite difference schemes are adopted for the present set of equations. The equations set is applied to three test cases, Booij's inclined plane slope profile, Massel's smooth bed profile, and Bragg's wavy bed profile. The present equations set is satisfactorily verified against existing theories including Massel's modified mild-slope equation, Berkhoff's mild-slope equation, and the full linear equation.
In this paper, wave propagation is studied and analyzed in double-layered nanotubes systems via the nonlocal strain gradient theory. To the author's knowledge, the present paper is the first to investigate the wave propagation characteristics of double-layered porous nanotubes systems. It is generally considered that the material properties of nanotubes are related to the porosity and hygro-thermal effects. The governing equations of the double-layered nanotubes systems are derived by using the Hamilton principle. The dispersion relations and displacement fields of wave propagation in the double nanotubes systems which experience three different types of motion are obtained and discussed. The results show that the phase velocities of the double nanotubes systems depend on porosity, humidity change, temperature change, material composition, non-local parameter, strain gradient parameter, interlayer spring, and wave number.
Rapid advances in the engineering applications can bring further areas to provide the opportunity to manipulate anisotropic structures for direct productivity in design of micro/nano-structures. For the first time, magnetic affected wave characteristics of nanosize plates made of anisotropic material is investigated via the three-dimensional bi-Helmholtz nonlocal strain gradient theory. Three small scale parameters are used to predict the size-dependent behavior of the nanoplates more accurately. After owing governing equations of wave motion, an analytical approach based harmonic series is utilized to fine the wave frequency as well as phase velocity. It is observed that the small scale parameters, magnetic field and wave number have considerable influence on the wave characteristics of anisotropic nanoplates. Due to the lack of any study on the mechanics of three-dimensional bi-Helmholtz gradient plates made of anisotropic materials, it is hoped that the present exact model may be used as a benchmark for future works of such nanostructures.
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.
Eyvazian, Arameh;Zhang, Chunwei;Musharavati, Farayi;Khan, Afrasyab;Mohamed, Abdeliazim Mustafa
Advances in nano research
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v.10
no.3
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pp.271-280
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2021
The present work deals with an investigation on longitudinal wave propagation in nanobeams made of graphene sheets, for the first time. The nanobeam is modelled via a higher-order shear deformation theory accounts for both higher-order and thickness stretching terms. The general nonlocal strain gradient theory including nonlocality and strain gradient characteristics of size-dependency in order is used to examine the small-scale effects. This model has three-small scale coefficients in which two of them are for nonlocality and one of them applied for gradient effects. Hamilton supposition is applied to obtain the governing motion equation which is solved using a harmonic solution procedure. It is indicated that the longitudinal wave characteristics of the nanobeams are significantly influenced by the nonlocal parameters and strain gradient parameter. It is shown that higher nonlocal parameter is more efficient than lower nonlocal parameter to change longitudinal phase velocities, while the strain gradient parameter is the determining factor for their efficiency on the results.
Zhao, Jing-Lei;She, Gui-Lin;Wu, Fei;Yuan, Shu-Jin;Bai, Ru-Qing;Pu, Hua-Yan;Wang, Shilong;Luo, Jun
Advances in nano research
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v.13
no.5
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pp.465-474
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2022
Based on the nonlocal strain gradient (NSG) theory and considering the influence of moment of inertia, the governing equations of motion of porous functionally graded (FG) nanoplates with four edges clamped are established; The Galerkin method is applied to eliminate the spatial variables of the partial differential equation, and the partial differential governing equation is transformed into an ordinary differential equation with time variables. By satisfying the boundary conditions and solving the characteristic equation, the dispersion relations of the porous FG strain gradient nanoplates with four edges fixed are obtained. It is found that when the wave number is very small, the influences of nonlocal parameters and strain gradient parameters on the dispersion relation is very small. However, when the wave number is large, it has a great influence on the group velocity and phase velocity. The nonlocal parameter represents the effect of stiffness softening, and the strain gradient parameter represents the effect of stiffness strengthening. In addition, we also study the influence of power law index parameter and porosity on guided wave propagation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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