The current study employs the nonlocal Timoshenko beam (NTB) theory and von-Kármán's geometric nonlinearity to develop a non-classic beam model for evaluating the nonlinear free vibration of bi-directional functionally-graded (BFG) nanobeams. In order to avoid the stretching-bending coupling in the equations of motion, the problem is formulated based on the physical middle surface. The governing equations of motion and the relevant boundary conditions have been determined using Hamilton's principle, followed by discretization using the differential quadrature method (DQM). To determine the frequencies of nonlinear vibrations in the BFG nanobeams, a direct iterative algorithm is used for solving the discretized underlying equations. The model verification is conducted by making a comparison between the obtained results and benchmark results reported in prior studies. In the present work, the effects of amplitude ratio, nanobeam length, material distribution, nonlocality, and boundary conditions are examined on the nonlinear frequency of BFG nanobeams through a parametric study. As a main result, it is observed that the nonlinear vibration frequencies are greater than the linear vibration frequencies for the same amplitude of the nonlinear oscillator. The study finds that the difference between the dimensionless linear frequency and the nonlinear frequency is smaller for CC nanobeams compared to SS nanobeams, particularly within the α range of 0 to 1.5, where the impact of geometric nonlinearity on CC nanobeams can be disregarded. Furthermore, the nonlinear frequency ratio exhibits an increasing trend as the parameter µ is incremented, with a diminishing dependency on nanobeam length (L). Additionally, it is established that as the nanobeam length increases, a critical point is reached at which a sharp rise in the nonlinear frequency ratio occurs, particularly within the nanobeam length range of 10 nm to 30 nm. These findings collectively contribute to a comprehensive understanding of the nonlinear vibration behavior of BFG nanobeams in relation to various parameters.
This article focused on studying the buckling behavior of two-dimensional functionally graded (2D-FG) nanosize tubes, including porosity based on first shear deformation and higher-order theory of tube. The nano-scale tube is simulated based on the nonlocal gradient strain theory, and the general equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle for the Zhang-Fu's tube model (as higher-order theory) and Timoshenko beam theory. Finally, the derived equations are solved using a numerical method for both simply-supported and clamped boundary conditions. The parametric study is performed to study the effects of different parameters such as axial and radial FG power indexes, porosity parameter, nonlocal gradient strain parameters on the buckling behavior of di-dimensional functionally graded porous tube.
Using a combination of nonlocal Eringen as well as classical beam theories, this research explores the thermal buckling of a bidirectional functionally graded nanobeam. The formulations of the presented problem are acquired by means on conserved energy as well as nonlocal theory. The results are obtained via generalized differential quadrature method (GDQM). The mechanical properties of the generated material vary in both axial and lateral directions, two-dimensional functionally graded material (2D-FGM). In nanostructures, porosity gaps are seen as a flaw. Finally, the information gained is used to the creation of small-scale sensors, providing an outstanding overview of nanostructure production history.
Rabab, Shanab;Salwa, Mohamed;Mohammed Y., Tharwan;Amr E., Assie;Mohamed A., Eltaher
Steel and Composite Structures
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v.45
no.5
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pp.729-747
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2022
The critical buckling loads and buckling modes of bi-directional functionally graded porous unified higher order shear plate with elastic foundation are investigated. A mathematical model based on neutral axis rather than midplane is developed in comprehensive way for the first time in this article. The material constituents form ceramic and metal are graded through thickness and axial direction by the power function distribution. The voids and cavities inside the material are proposed by three different porosity models through the thickness of plate. The constitutive parameters and force resultants are evaluated relative to the neutral axis. Unified higher order shear plate theories are used to satisfy the zero-shear strain/stress at the top and bottom surfaces. The governing equilibrium equations of bi-directional functionally graded porous unified plate (BDFGPUP) are derived by Hamilton's principle. The equilibrium equations in the form of coupled variable coefficients partial differential equations is solved by using numerical differential integral quadrature method (DIQM). The validation of the present model is presented and compared with previous works for bucking. Deviation in buckling loads for both mid-plane and neutral plane are developed and discussed. The numerical results prove that the shear functions, distribution indices, boundary conditions, elastic foundation and porosity type have significant influence on buckling stability of BDFGPUP. The current mathematical model may be used in design and analysis of BDFGPU used in nuclear, mechanical, aerospace, and naval application.
Mohammad Gholami;Mojtaba Gorji Azandariani;Ahmed Najat Ahmed;Hamid Abdolmaleki
Advances in nano research
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v.14
no.2
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pp.127-139
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2023
This paper studies the free vibration behavior of bi-dimensional functionally graded (BFG) nanobeams subjected to arbitrary boundary conditions. According to Eringen's nonlocal theory and Hamilton's principle, the underlying equations of motion have been obtained for BFG nanobeams. Moreover, the variable substitution method is utilized to establish the structure's state-space differential equations, followed by forming the dynamic stiffness matrix based on state-space differential equations. In order to compute the natural frequencies, the current study utilizes the Wittrick-Williams algorithm as a solution technique. Moreover, the nonlinear vibration frequencies calculated by employing the proposed method are compared to the frequencies obtained in previous studies to evaluate the proposed method's performance. Some illustrative numerical examples are also given in order to study the impacts of the nonlocal parameters, material property gradient indices, nanobeam length, and boundary conditions on the BFG nanobeam's frequency. It is found that reducing the nonlocal parameter will usually result in increased vibration frequencies.
The applicability of a novel incremental-iterative technique with 2D differential/integral quadrature method (DIQM) in analyzing the nonlinear behavior of Bi-directional functionally graded (BDFG) porous plate based on neutral surface is verified in the present works. A formulation of four variables high shear deformation theory is used to describe the kinematic relations with respect to neutral surface rather than mid-plane. Bi-directional material distributions are presented by power functions through both thickness and axial directions. Porosities and voids are distributed by different cosine functions. The large deformations are included within the sense of nonlinear von Kármán strains. The integro-differential equilibrium equations with associated modified boundary conditions are solved numerically and iteratively by using 2D DIQM. Model validations and parametric analysis are depicted to present the influence of neutral axis, nonlinear strains, gradation indices, elastic foundations, and modified boundary conditions on the static deflection in addition to normal and shear stresses. The proposed model is effective in analyzing the static behavior of many real applications in nuclear reactors, marine and aerospace structures with large deformations.
This paper presents the mechanical buckling of bi-directional functionally graded sandwich beams (BFGSW) with various boundary conditions employing a quasi-3D beam theory, including an integral term in the displacement field, which reduces the number of unknowns and governing equations. The beams are composed of three layers. The core is made from two constituents and varies across the thickness; however, the covering layers of the beams are made of bidirectional functionally graded material (BFGSW) and vary smoothly along the beam length and thickness directions. The power gradation model is considered to estimate the variation of material properties. The used formulation reflects the transverse shear effect and uses only three variables without including the correction factor used in the first shear deformation theory (FSDT) proposed by Timoshenko. The principle of virtual forces is used to obtain stability equations. Moreover, the impacts of the control of the power-law index, layer thickness ratio, length-to-depth ratio, and boundary conditions on buckling response are demonstrated. Our contribution in the present work is applying an analytical solution to investigate the stability behavior of bidirectional FG sandwich beams under various boundary conditions.
This research explores a new finite element model for the free vibration analysis of bi-directional functionally graded (BDFG) beams. The model is based on an efficient higher-order shear deformation beam theory that incorporates a trigonometric warping function for both transverse shear deformation and stress to guarantee traction-free boundary conditions without the necessity of shear correction factors. The proposed two-node beam element has three degrees of freedom per node, and the inter-element continuity is retained using both C1 and C0 continuities for kinematics variables. In addition, the mechanical properties of the (BDFG) beam vary gradually and smoothly in both the in-plane and out-of-plane beam's directions according to an exponential power-law distribution. The highly elevated performance of the developed model is shown by comparing it to conceptual frameworks and solution procedures. Detailed numerical investigations are also conducted to examine the impact of boundary conditions, the bi-directional gradient indices, and the slenderness ratio on the free vibration response of BDFG beams. The suggested finite element beam model is an excellent potential tool for the design and the mechanical behavior estimation of BDFG structures.
This work aims to explore the static behaviour of a tapered functionally graded porous plate (FGPP) with even and uneven porosity distributions resting on two parametric elastic foundations. The plate under investigation is subjected to bi-sinusoidal loading and the edges of the plate are exposed to different combinations of edge restrictions. In order to examin the static behaviour, bending factors (BF) related to bending and normal stresses have been evaluated using classical plate theory. To achieve this, the governing equations have been derived employing the energy concept. And to solve it, the Rayleigh-Ritz method with an algebraic function has been utilised; it is simple, precise, and computationally intensive. After convergence and validation analyses, new findings are made available. The BF of the plate have been exhaustively examined to explain the influence of aspect ratios, material property index, porosity factor, taper factor, and Winkler and Pasternak stiffness. It is observed that the BF of an elastically supported FGPP are influenced by the index of material propery and the aspect ratio. Findings also indicate that the impact of porosity is more when it is spread evenly, as opposed to when it is unevenly distributed. Further, the deformed plate's structure is significantly influenced by the different thickness variations. Examination of bending characteristics of FGPP having different new cases of thickness variations with different types of porosity distribution under fifteen different mixed edge constraints is the prime novality of this work. Results presented are reliable enough to be taken into account for future studies.
In this paper, the static behavior of bi-directional functionally graded (FG) non-uniform thickness circular plate resting on quadratically gradient elastic foundations (Winkler-Pasternak type) subjected to axisymmetric transverse and in-plane shear loads is carried out by using state-space and differential quadrature methods. The governing state equations are derived based on 3D theory of elasticity, and assuming the material properties of the plate except the Poisson's ratio varies continuously throughout the thickness and radius directions in accordance with the exponential and power law distributions. The stresses and displacements distribution are obtained by solving state equations. The effects of foundation stiffnesses, material heterogeneity indices, geometric parameters and loads ratio on the deformation and stress distributions of the FG circular plate are investigated in numerical examples. The results are reported for the first time and the new results can be used as a benchmark solution for future researches.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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