A four-variable shear deformation refined plate theory has been proposed for dynamic characteristics of smart plates made of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) materials with various boundary conditions by using an analytical method. Magneto-electro-elastic properties of FGM plate are supposed to vary through the thickness direction and are estimated through the modified power-law rule in which the porosities with even and uneven type are approximated. Pores possibly occur inside functionally graded materials (FGMs) due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. The variation of pores along the thickness direction influences the mechanical properties. The governing differential equations and boundary conditions of embedded porous FGM plate under magneto-electrical field are derived through Hamilton's principle based on a four-variable tangential-exponential refined theory which avoids the use of shear correction factors. An analytical solution procedure is used to achieve the natural frequencies of embedded porous FG plate supposed to magneto-electrical field with various boundary condition. A parametric study is led to carry out the effects of material graduation exponent, coefficient of porosity, magnetic potential, electric voltage, elastic foundation parameters, various boundary conditions and plate side-to-thickness ratio on natural frequencies of the porous MEE-FG plate. It is concluded that these parameters play significant roles on the dynamic behavior of porous MEE-FG plates. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG plates with porosity phases.
Jung Hyang Nam;Choi Jae Hwan;Chung Hee Taeg;Lee June Key
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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제22권12호
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pp.170-174
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2005
A numerical system to extract effective elastic properties of polycrystalline thin-films for MEMS devices is developed. In this system, the statistical model based on lattice system is used for modeling the microstructure evolution simulation and the key kinetics parameters of given micrograph, grain distributions and deposition process can be extracted by inverse method proposed in the system. In this work, effects of kinetics parameters on the extraction of effective elastic properties of polycrystalline thin-films are studied by using statistical method. Effects of the fraction of the potential site($f_p$) among the parameters for deposition process of microstructure on the extraction of effective elastic properties of polycrystalline thin-films are investigated. For this research, polysilicon is applied to this system as the polycrystalline thin-films.
The electro-magneto- thermo-elastic behavior of a rotating functionally graded long hollow cylinder with functionally graded piezoelectric (FGPM) layers is analytically analyzed. The layers are imperfectly bonded to its inner and outer surfaces. The hybrid cylinder is placed in a constant magnetic field subjected to a thermo-electro-mechanical loading and could be rested on a Winkler-type elastic foundation. The material properties of the FGM cylinder and radially polarized FGPM layers are assumed to be graded in the radial direction according to the power law. The hybrid cylinder is rotating about its axis at a constant angular velocity. The governing equations are solved analytically and then stresses, displacement and electric potential distribution are calculated. Numerical examples are given to illustrate the effects of material in-homogeneity, magnetic field, elastic foundation, applied voltage, imperfect interface and thermo-mechanical boundary condition on the static behavior of a FG smart cylinder.
This article presents a finite element (FE) model to assess the free vibration and static response of a functionally graded skew magneto-electro-elastic (FGSMEE) plate. Through the thickness material grading of FGSMEE plate is achieved using power law distribution. The coupled constitutive equations along with the total potential energy approach are used to develop the FE model of FGSMEE plate. The transformation matrix is utilized in bringing out the element matrix corresponding to the global axis to a local axis along the skew edges to specify proper boundary conditions. The effect of skew angle on the natural frequency of an FGSMEE plate is analysed. Further, the study includes the evaluation of the static behavior of FGSMEE plate for various skew angles. The influence of skew angle on the primary quantities such as displacements, electric potential, and magnetic potential, and secondary quantities such as stresses, electric displacement and magnetic induction is studied in detail. In addition, the effect of power-law gradient, thickness ratio, boundary conditions and aspect ratio on the free vibration and static response characteristics of FGSMEE plate has been investigated.
Asrari, Reza;Ebrahimi, Farzad;Kheirikhah, Mohammad Mahdi
Advances in nano research
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제9권1호
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pp.33-45
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2020
Geometrically nonlinear buckling of functionally graded magneto-electro-elastic (FG-MEE) nanoshells with the use of classical shell theory and nonlocal strain gradient theory (NSGT) has been analyzed in present research. Mathematical formulation based on NSGT gives two scale coefficients for simultaneous description of structural stiffness reduction and increment. Functional gradation of material properties is described based on power-law formulation. The nanoshell is under a multi-physical field related to applied voltage, magnetic potential, and mechanical load. Exerting a strong electric voltage, magnetic potential or mechanical load may lead to buckling of nanoshell. Taking into account geometric nonlinearity effects after buckling, the behavior of nanoshell in post-buckling regime can be analyzed. Nonlinear governing equations are reduced to ordinary equations utilizing Galerkin's approach and post-buckling curves are obtained based on an analytical procedure. It will be shown that post-buckling curves are dependent on nonlocal/strain gradient parameters, electric voltage magnitude and sign, magnetic potential magnitude and sign and material gradation exponent.
The magneto-electro-elastic (MEE) material under thermal environment exhibits pyroelectric and pyromagnetic coefficients resulting in pyroelectric and pyromagnetic effects. The pyroelectric and pyromagnetic effects on the behavior of multiphase MEE sensors bonded on top surface of a mild steel beam under thermal environment is presented in this paper. The aim of the study is to find out how samples having different volume fractions of the multiphase MEE composite behave in sensor applications. This is studied at optimal location on the beam, where the maximum electric and magnetic potentials are induced due to pyroelectric and pyromagnetic effects under clamped-free and clamped-clamped boundary conditions. The sensor which is bonded on the top surface of the beam is modeled using 8-node brick element. The MEE sensor bonded on mild steel beam is subjected to uniform temperature rise of 50K. It is assumed that beam and sensor is perfectly bonded to each other. The maximum pyroelectric and pyromagnetic effects on electric and magnetic potentials are observed when volume fraction is ${\nu}_f=0.2$. The boundary conditions significantly influence the pyroelectric and pyromagnetic effects on electric and magnetic potentials.
Ebrahimi, Farzad;Hosseini, S. Hamed S.;Selvamani, Rajendran
Structural Engineering and Mechanics
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제73권5호
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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.
The present article addresses the coupled free vibration problem of skew magneto-electro-elastic plates (SMEE) considering the temperature-moisture dependent material properties. The plate kinematics follows Reddy's higher order shear deformation theory. With the aid of finite element methods, the governing equations of motion are derived considering the Hamilton's principle and solved by adopting condensation technique. The influence of different temperature and moisture dependent empirical constants on the frequency response of SMEE plate has been assessed. In addition, the natural frequencies corresponding to various fields are evaluated and the effect of empirical constants on these coupled frequencies is determined. A detailed parametric study has been carried out to assess the individual effects of temperature and moisture dependent empirical constants along with their combined effect, aspect ratio, length-to-width ratio, stacking sequence and boundary conditions. The results reveal that the external environment as well as the geometrical skewness has a significant influence on the stiffness of the SMEE plates.
Arjun Siddharth Mangalasseri;Vinyas Mahesh;Sriram Mukunda;Vishwas Mahesh;Sathiskumar A Ponnusami;Dineshkumar Harursampath;Abdelouahed Tounsi
Advances in nano research
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제14권1호
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pp.27-43
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2023
This article investigates the energy harvesting characteristics of a magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam reinforced with carbon nanotubes (CNT) under transverse vibration. To this end, the well-known lumped parameter model is used to represent the coupled multiphysics problem mathematically. The proposed system consists of the MEE-CNT layer on top and an inactive substrate layer at the bottom. The substrate is considered to be made of either an isotropic or composite material. Basic laws such as Gauss's Law, Newton's Law and Faraday's Law are used to arrive at the governing equations. Surface electrodes across the beam are used to harvest the electric potential produced, together with a wound coil, for the generated magnetic potential. The influence of various distributions of the CNT and its volume fraction, substrate material, length-to-thickness ratio, and thickness ratio of substrate to MEE layer on the energy harvesting behaviour is thoroughly discussed. Further, the effect of external resistances and changes in substrate material on the response is analysed and reported. The article aims to explore smart material-based energy harvesting systems, focusing on their behaviour when reinforced with carbon nanotubes. The results of this study may lead to an improved understanding of the design and analysis of CNT-based smart structures.
Mirjavadi, Sayed Sajad;Bayani, Hassan;Khoshtinat, Navid;Forsat, Masoud;Barati, Mohammad Reza;Hamouda, A.M.S
Smart Structures and Systems
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제26권5호
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pp.631-640
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2020
In this paper, nonlinear vibration behaviors of multi-phase Magneto-Electro-Elastic (MEE) doubly-curved nanoshells have been studied employing Jacobi elliptic function method. The doubly-curved nanoshell has been modeled by using nonlocal elasticity and classic shell theory. An exact estimation of nonlinear vibrational behavior of smart doubly-curved nanoshell has been obtained via Jacobi elliptic function method. This method can incorporate the influences of higher order harmonics leading to an exact estimation of nonlinear vibration frequency. It will be indicated that nonlinear vibrational frequency of doubly-curved nanoshell relies on nonlocal effect, material composition, curvature radius, center deflection and electro-magnetic field.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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