This paper investigates the buckling behavior of carbon nanotube-reinforced composite plates supported by Kerr foundation model. In this foundation elastic of Kerr consisting of two spring layers interconnected by a shearing layer. The plates are reinforced by single-walled carbon nanotubes with four types of distributions of uniaxially aligned reinforcement material. The analytical equations are derived and the exact solutions for buckling analyses of such type's plates are obtained. The mathematical models provided, and the present solutions are numerically validated by comparison with some available results in the literature. Effect of various reinforced plates parameters such as aspect ratios, volume fraction, types of reinforcement, parameters constant factors of Kerr foundation and plate thickness on the buckling analyses of carbon nanotube-reinforced composite plates are studied and discussed.
In the present paper, the influences of the variation of exponent of volume fraction of carbon nanotubes (CNTs) on the natural frequencies (NFs) of the carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) beams under four different boundary conditions (BCs) are investigated. The single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are assumed to be aligned and dispersed in a polymeric matrix with various reinforcing patterns, according to the variation of exponent of volume fraction of CNTs for functionally graded (FG) reinforcements. Besides, uniform distribution (UD) of reinforcement is also considered to analyze the influence of the non-linear (NL) variation of the reinforcement of CNTs. Using Hamilton's principle and third-order shear deformation theory (TSDT), the equations of motion of the CNTRC beam are derived. Under four different BCs, the resulting equations are solved analytically. To verify the present formulation, comparison investigations are conducted. To examine the impacts of several factors on the NFs of the CNTRC beams, numerical examples and some benchmark results are presented.
Zhao, Jing-Lei;Chen, Xu;She, Gui-Lin;Jing, Yan;Bai, Ru-Qing;Yi, Jin;Pu, Hua-Yan;Luo, Jun
Steel and Composite Structures
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v.43
no.6
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pp.797-808
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2022
This paper presents an investigation on the free vibration characteristics of functionally graded nanocomposite double-beams reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The double-beams coupled by an interlayer spring, resting on the elastic foundation with a linear layer and shear layer, and is simply supported in thermal environments. The SWCNTs gradient distributed in the thickness direction of the beam forms different reinforcement patterns. The materials properties of the functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTRC) are estimated by rule of mixture. The first order shear deformation theory and Euler-Lagrange variational principle are employed to derive the motion equations incorporating the thermal effects. The vibration characteristics under several patterns of reinforcement are presented and discussed. We conducted a series of studies aimed at revealing the effects of the spring stiffness, environment temperature, thickness ratios and carbon nanotube volume fraction on the nature frequency.
Xu, Chen;Jing-Lei, Zhao;Gui-Lin, She;Yan, Jing;Hua-Yan, Pu;Jun, Luo
Steel and Composite Structures
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v.45
no.5
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pp.641-652
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2022
Fluid-conveying tubes are widely used to transport oil and natural gas in industries. As an advanced composite material, functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTRC) have great potential to empower the industry. However, nonlinear free vibration of the FG-CNTRC fluid-conveying pipe has not been attempted in thermal environment. In this paper, the nonlinear free vibration characteristic of functionally graded nanocomposite fluid-conveying pipe reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWNTs) in thermal environment is investigated. The SWCNTs gradient distributed in the thickness direction of the pipe forms different reinforcement patterns. The material properties of the FG-CNTRC are estimated by rule of mixture. A higher-order shear deformation theory and Hamilton's variational principle are employed to derive the motion equations incorporating the thermal and fluid effects. A two-step perturbation method is implemented to obtain the closed-form asymptotic solutions for these nonlinear partial differential equations. The nonlinear frequencies under several reinforcement patterns are presented and discussed. We conduct a series of studies aimed at revealing the effects of the flow velocity, the environment temperature, the inner-outer diameter ratio, and the carbon nanotube volume fraction on the nature frequency.
This paper presents an investigation about superharmonic and subharmonic resonances of a carbon nanotube reinforced composite beam subjected to lateral harmonic load with damping effect based on the modified couple stress theory. As reinforcing phase, three different types of single walled carbon nanotubes (CNTs) distribution are considered through the thickness in polymeric matrix. The governing nonlinear dynamic equation is derived based on the von Kármán nonlinearity with using of Hamilton's principle. The Galerkin's decomposition technique is utilized to discretize the governing nonlinear partial differential equation to nonlinear ordinary differential equation and then is solved by using of multiple time scale method. Effects of different patterns of reinforcement, volume fraction, excitation force and the length scale parameter on the frequency-response curves of the carbon nanotube reinforced composite beam are investigated. The results show that volume fraction and the distribution of CNTs play an important role on superharmonic and subharmonic resonances of the carbon nanotube reinforced composite beams.
To cope with the demand on giant and durable buildings, reinforcement of concrete is a practical problem being extensively investigated in the civil engineering field. Among various reinforcing techniques, fiber-reinforced concrete (FRC) has been proven to be an effective approach. In practice, such fibers include steel fibers, polyvinyl alcohol (PVA) fibers, polyacrylonitrile (PAN) carbon fibers and asbestos fibers, with the length scale ranging from centimeters to micrometers. When advancing such technique down to the nanoscale, it is noticed that carbon nanotubes (CNTs) are stronger than other fibers and can provide a better reinforcement to concrete. In the last decade, CNT-reinforced concrete attracts a lot of attentions in research. Despite high cost of CNTs at present, the growing availability of carbon materials might push the usage of CNTs into practice in the near future, making the reinforcement technique of great potential. A review of existing research works may constitute a conclusive reference and facilitate further developments. In reference to the recent experimental works, this paper reports some key evaluations on CNT-reinforced cementitious materials, covering FRC mechanism, CNT dispersion, CNT-cement structures, mechanical properties and fire safety. Emphasis is placed on the interplay between CNTs and calcium silicate hydrate (C-S-H) at the nanoscale. The relationship between the CNTs-cement structures and the mechanical enhancement, especially at a high-temperature condition, is discussed based on molecular dynamics simulations. After concluding remarks, challenges to improve the CNTs reinforcement technique are proposed.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.04a
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pp.261-264
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2005
Since the first discovery of carbon nanotube (CNT) in 1991, a window to new technological areas has been opened. One of the emerging applications of CNTs is the reinforcement of composite materials to overcome the performance limits of conventional materials. However, because of the difficulties in distributing CNTs homogeneously in metal or ceramic matrix by means of traditional composite processes, it has been doubted whether CNTs can really reinforce metals or ceramics. In this study, CNT reinforced Cu matrix nanocomposite is fabricated by a novel fabrication process named molecular level mixing process. This process produces CNT/Cu composite powders whereby the CNTs are homogeneously implanted within Cu powders. The CNT/Cu nanocomposite, consolidated by spark plasma sintering of CNT/Cu composite powders, shows to be 3 times higher strength and 2 times higher Young’s modulus than Cu matrix. This extra-ordinary strengthening effect of carbon nanotubes in metal is higher than that of any other reinforcement ever used for metal matrix composites.
Nonlinear free vibration and stability responses of a carbon nanotube reinforced composite beam under temperature rising are investigated in this paper. The material of the beam is considered as a polymeric matrix by reinforced the single-walled carbon nanotubes according to different distributions with temperature-dependent physical properties. With using the Hamilton's principle, the governing nonlinear partial differential equation is derived based on the Euler-Bernoulli beam theory. In the nonlinear kinematic assumption, the Von Kármán nonlinearity is used. The Galerkin's decomposition technique is utilized to discretize the governing nonlinear partial differential equation to nonlinear ordinary differential equation and then is solved by using of multiple time scale method. The critical buckling temperatures, the nonlinear natural frequencies and the nonlinear free response of the system is obtained. The effect of different patterns of reinforcement on the critical buckling temperature, nonlinear natural frequency, nonlinear free response and phase plane trajectory of the carbon nanotube reinforced composite beam investigated with temperature-dependent physical property.
This paper presents nonlinear oscillations of a carbon nanotube reinforced composite beam subjected to lateral harmonic load with damping effect based on the modified couple stress theory. As reinforcing phase, three different types of single walled carbon nanotubes distribution are considered through the thickness in polymeric matrix. The non-linear strain-displacement relationship is considered in the von Kármán nonlinearity. The governing nonlinear dynamic equation is derived with using of Hamilton's principle.The Galerkin's decomposition technique is utilized to discretize the governing nonlinear partial differential equation to nonlinear ordinary differential equation and then is solved by using of multiple time scale method. The frequency response equation and the forced vibration response of the system are obtained. Effects of patterns of reinforcement, volume fraction, excitation force and the length scale parameter on the nonlinear responses of the carbon nanotube reinforced composite beam are investigated.
The object of this paper is to investigate the free vibration behavior under the effect of carbon nanotube distribution in functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) by using higher-order shear deformation theories. In this work, we present a novel distribution method for carbon nanotubes in the polymer matrix by using a new exponential power law distribution of carbon nanotube volume fraction. It is assumed that the SWCNTs are aligned along the beam axial direction and the distribution of the SWCNTs may vary through the thickness of the beam with different patterns of reinforcement. The rule of mixtures is used in order to obtain material properties of the CNTRC beams. Hamilton's principle is used in deriving the equations of motion. The validity of the free Vibration results is examined by comparing them with those of the known data in the literature. The results that obtained indicate that the carbon nanotube volume fraction distribution play a very important role on the free vibrations characteristics of the CNTRC beam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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