An analytical formulation and solution process for the buckling analysis of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) beam via different thermal loadings and various boundary conditions is suggested in this paper. Magneto electro mechanical coupling properties of FGM beam are taken to vary via the thickness direction of beam. The rule of power-law is changed to consider inclusion of porosity according to even and uneven distribution. Pores possibly occur inside FGMs due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. Change in pores along the thickness direction stimulates the mechanical and physical properties. Four-variable tangential-exponential refined theory is employed to derive the governing equations and boundary conditions of porous FGM beam under magneto-electrical field via Hamilton's principle. An analytical model procedure is adopted to achieve the non-dimensional buckling load of porous FG beam exposed to magneto-electrical field with various boundary conditions. In order to evaluate the influence of thermal loadings, material graduation exponent, coefficient of porosity, porosity distribution, magnetic potential, electric voltage and boundary conditions on the critical buckling temperature of the beam made of magneto electro elastic FG materials with porosities a parametric study is presented. It is concluded that these parameters play remarkable roles on the buckling behavior of porous MEE-FG beam. The results for simpler states are proved for exactness with known data in the literature. The proposed numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG beam with porosity phases.
Jialing Li;Gongxing Yan;Zhongjian Tang;Saifeldin M. Siddeeg;Tamim Alkhalifah
Advances in nano research
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v.17
no.4
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pp.385-399
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2024
NEMS (Nano-Electro-Mechanical Systems) devices play a significant role in the advancement of prosthetic hands due to their unique properties at the nanoscale. Their integration enhances the functionality, sensitivity, and performance of prosthetic limbs. Understanding the electro-thermal buckling behavior of such structures is crucial since they may be subjected to extreme heat. So, in this paper, the two-dimensional hyperbolic differential quadrature method (2D-HDQM) integrated with a four-variable refined quasi-3D tangential shear deformation theory (RQ-3DTSDT) in view of the trace of thickness stretching is extended to study electro-thermal buckling response of three-directional poroelastic FG (3D-PFG) circular sector nanoplate patched with piezoelectric layer. Aimed at discovering the real governing equations, coupled equations with the aid of compatibility conditions are employed. Regarding modeling the size-impacts, nonlocal refined logarithmic strain gradient theory (NRLSGT) with two variables called nonlocal and length scale factors is examined. Numerical experimentation and comparison are used to indicate the precision and proficiency related to the created procedure. After obtaining the outputs of the mathematics, an appropriate dataset is used for testing, training and validating of the artificial intelligence. In the results section will be discussed the trace associated with multiple geometrical and physical factors on the electro-thermal buckling performance of the current nanostructure. These findings are essential for the design and optimization of NEMS applications in various fields, including sensing, actuation, and electronics, where thermal stability is paramount. The study's insights contribute to the development of more reliable and efficient NEMS devices, ensuring their robust performance under varying thermal conditions.
In this paper, analysis of thermal post-buckling behaviors of sandwich nanobeams with two layers of multi-phase magneto-electro-thermo-elastic (METE) composites have been presented considering geometric imperfection effects. Multi-phase METE material is composed form piezoelectric and piezo-magnetic constituents for which the material properties can be controlled based on the percentages of the constituents. Nonlinear governing equations of sandwich nanobeam are derived based on nonlocal elasticity theory together with classic thin beam model and an analytical solution is provided. It will be shown that post-buckling behaviors of sandwich nanobeam in thermo-electro-magnetic field depend on the constituent's percentages. Buckling temperature of sandwich nanobeam is also affected by nonlocal scale factor, magnetic field intensity and electrical voltage.
Asrari, Reza;Ebrahimi, Farzad;Kheirikhah, Mohammad Mahdi
Structural Engineering and Mechanics
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v.75
no.6
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pp.659-674
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2020
The present paper employs nonlocal strain gradient theory (NSGT) to study buckling behavior of functionally graded magneto-electro-thermo-elastic (FG-METE) nanoshells under various physical fields. NSGT modeling of the nanoshell contains two size parameters, one related to nonlocal stress field and another related to strain gradients. It is considered that mechanical, thermal, electrical and magnetic loads are exerted to the nanoshell. Temperature field has uniform and linear variation in nanoshell thickness. According to a power-law function, piezo-magnetic, thermal and mechanical properties of the nanoshell are considered to be graded in thickness direction. Five coupled governing equations have been obtained by using Hamilton's principle and then solved implementing Galerkin's method. Influences of temperature field, electric voltage, magnetic potential, nonlocality, strain gradient parameter and FG material exponent on buckling loads of the FG-METE nanoshell have been studied in detail.
An investigation of the nonlinear thermal buckling behavior of a nano-sized beam constructed from intelligent materials called piezo-magnetic materials has been presented in this article. The nano-sized beam geometry has been considered based on two assumptions: an ideal straight beam and an imperfect beam. For incorporating nano-size impacts, the nano-sized beam formulation has been presented according to nonlocal elasticity. After establishing the governing equations based on classic beam theory and nonlocal elasticity, the nonlinear buckling path has been obtained via Galerkin's method together with an analytical trend. The dependency of buckling path to piezo-magnetic material composition, electro-magnetic fields and geometry imperfectness has been studied in detail.
Annular nano-electromechanical systems (NEMS) in intelligent prosthetic hands enhance precision by serving as highly sensitive sensors for detecting pressure, vibrations, and deformations. This improves feedback and control, enabling users to modulate grip strength and tactile interaction with objects more effectively, enhancing prosthetic functionality. This research focuses on the electro-thermal buckling behavior of multi-directional poroelastic annular NEMS used as temperature sensors in airplanes. In the present study, thermal buckling performance of nano-scale annular functionally graded plate structures integrated with piezoelectric layers under electrical and extreme thermal loadings is investigated. In this regard, piezoelectric layers are placed on a disk made of metal matrix composite with graded properties in three radials, thickness and circumferential directions. The grading properties obey the power-law distribution. The whole structure is embedded in thermal environment. To model the mechanical behavior of the structure, a novel four-variable refined quasi-3D sinusoidal shear deformation theory (RQ-3DSSDT) is engaged in obtaining displacement field in the whole structure. The validity of the results is examined by comparing to a similar problem published in literature. The results of the buckling behavior of the structure in different boundary conditions are presented based on the critical temperature rise and critical external voltage. It is demonstrated that increase in the nonlocal and gradient length scale factor have contradicting effects on the critical temperature rise. On the other hand, increase in the applied external voltage cause increase in the critical temperature. Effects of other parameters like geometrical parameters and grading indices are presented and discussed in details.
The effects of nanotechnology and smartness on the buckling reduction of pipes are the main contributions of present work. For this ends, the pipe is simulated with classical piezoelectric polymeric cylindrical shell reinforced by armchair double walled boron nitride nanotubes (DWBNNTs), The structure is subjected to combined electro-thermo-mechanical loads. The surrounding elastic foundation is modeled with a novel model namely as orthotropic nonhomogeneous Pasternak medium. Using representative volume element (RVE) based on micromechanical modeling, mechanical, electrical and thermal characteristics of the equivalent composite are determined. Employing nonlinear strains-displacements and stress-strain relations as well as the charge equation for coupling of electrical and mechanical fields, the governing equations are derived based on Hamilton's principal. Based on differential quadrature method (DQM), the buckling load of pipe is calculated. The influences of electrical and thermal loads, geometrical parameters of shell, elastic foundation, orientation angle and volume percent of DWBNNTs in polymer are investigated on the buckling of pipe. Results showed that the generated ${\Phi}$ improved sensor and actuator applications in several process industries, because it increases the stability of structure. Furthermore, using nanotechnology in reinforcing the pipe, the buckling load of structure increases.
By employing a quasi-3D plate formulation, the present research studies static stability of magneto-electro-thermo-elastic functional grading (METE-FG) nano-sized plates. Accordingly, influences of shear deformations as well as thickness stretching have been incorporated. The gradation of piezo-magnetic and elastic properties of the nano-sized plate have been described based on power-law functions. The size-dependent formulation for the nano-sized plate is provided in the context of nonlocal elasticity theory. The governing equations are established with the usage of Hamilton's rule and then analytically solved for diverse magnetic-electric intensities. Obtained findings demonstrate that buckling behavior of considered nanoplate relies on the variation of material exponent, electro-magnetic field, nonlocal coefficient and boundary conditions.
Micro-electro-mechanical systems (MEMS) are widely employed in sensors, biomedical devices, optic sectors, and micro-accelerometers. New reinforcement materials such as carbon nanotubes as well as graphene platelets provide stiffer structures with controllable mechanical specifications by changing the graphene platelet features. This paper deals with buckling analyses of functionally graded graphene platelets micro plates with two piezoelectric layers subjected to external applied voltage. Governing equations are based on Kirchhoff plate theory assumptions beside the modified couple stress theory to incorporate the micro scale influences. A uniform temperature change and external electric field are regarded along the micro plate thickness. Moreover, an external in-plane mechanical load is uniformly distributed along the micro plate edges. The Hamilton's principle is employed to extract the governing equations. The material properties of each composite layer reinforced with graphene platelets of the considered micro plate are evaluated by the Halpin-Tsai micromechanical model. The governing equations are solved by the Navier's approach for the case of simply-supported boundary condition. The effects of the external applied voltage, the material length scale parameter, the thickness of the piezoelectric layers, the side, the length and the weight fraction of the graphene platelets as well as the graphene platelets distribution pattern on the critical buckling temperature change and on the critical buckling in-plane load are investigated. The outcomes illustrate the reduction of the thermal buckling strength independent of the graphene platelets distribution pattern while meanwhile the mechanical buckling strength is promoted. Furthermore, a negative voltage, -50 Volt, strengthens the micro plate stability against the thermal buckling occurrence about 9% while a positive voltage, 50 Volt, decreases the critical buckling load about 9% independent of the graphene platelet distribution pattern.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad;Arani, M.R. Ghorbanpour
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.4
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pp.439-455
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2019
This research deals with thermo-electro-mechanical buckling analysis of the sandwich nano-beams with face-sheets made of functionally graded carbon nano-tubes reinforcement composite (FG-CNTRC) based on the nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) considering various higher-order shear deformation beam theories (HSDBT). The sandwich nano-beam with FG-CNTRC face-sheets is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Pasternak's foundation. It is assumed that the material properties of the face-sheets change continuously along the thickness direction according to different patterns for CNTs distribution. In order to include coupling of strain and electrical field in equation of motion, the nonlocal non-classical nano-beam model contains piezoelectric effect. The governing equations of motion are derived using Hamilton principle based on HSDBTs and NSGET. The differential quadrature method (DQM) is used to calculate the mechanical buckling loads of sandwich nano-beam as well as critical voltage and temperature rising. After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various HSDBTs, length scale parameter (strain gradient parameter), the nonlocal parameter, the CNTs volume fraction, Pasternak's foundation coefficients, various boundary conditions, the CNTs efficiency parameter and geometric dimensions on the buckling behaviors of FG sandwich nano-beam. The numerical results indicate that, the amounts of the mechanical critical load calculated by PSDBT and TSDBT approximately have same values as well as ESDBT and ASDBT. Also, it is worthy noted that buckling load calculated by aforementioned theories is nearly smaller than buckling load estimated by FSDBT. Also, similar aforementioned structure is used to building the nano/micro oscillators.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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