The present study deals with two dimensional electro-elastic analysis of a functionally graded piezoelectric (FGP) cylinder under internal pressure. Energy method and first order shear deformation theory (FSDT) are employed for this purpose. All mechanical and electrical properties except Poisson ratio are considered as a power function along the radial direction. The cylinder is subjected to uniform internal pressure. By supposing two dimensional displacement and electric potential fields along the radial and axial direction, the governing differential equations can be derived in terms of unknown electrical and mechanical functions. Homogeneous solution can be obtained by imposing the appropriate mechanical and electrical boundary conditions. This proposed solution has capability to solve the cylinder structure with arbitrary boundary conditions. The previous solutions have been proposed for the problem with simple boundary conditions (simply supported cylinder) by using the routine functions such as trigonometric functions. The axial distribution of the axial displacement, radial displacement and electric potential of the cylinder can be presented as the important results of this paper for various non homogeneous indexes. This paper evaluates the effect of a local support on the distribution of mechanical and electrical components. This investigation indicates that a support has important influence on the distribution of mechanical and electrical components rather than a cylinder with ignoring the effect of the supports. Obtained results using present method at regions that are adequate far from two ends of the cylinder can be compared with previous results (plane elasticity and one dimensional first order shear deformation theories).
Yujie Zhang;Zhihang Guo;Yimin Gong;Jianzhong Shi;Mohamed Hechmi El Ouni;Farhan Alhosny
Advances in nano research
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제15권2호
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pp.175-189
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2023
The under-evaluation structure includes a functionally graded porous (FGP) core which is confined by two piezoelectric carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) layers. The whole structure rests on the Pasternak foundation. Using quasi-3D hyperbolic shear deformation theory, governing equations of a sandwich plate are driven. Moreover, face sheets are subjected to the electric field and the whole model is under thermal loading. The properties of all layers alter continuously along with thickness direction due to the CNTs and pores distributions. By conducting the current study, the results emerged in detail to assess the effects of different parameters on buckling of structure. As instance, it is revealed that highest and lowest critical buckling load and consequently stiffness, is due to the V-A and A-V CNTs dispersion type, respectively. Furthermore, it is revealed that by porosity coefficient enhancement, critical buckling load and consequently, stiffness reduces dramatically. Current paper results can be used in various high-tech industries as aerospace factories.
The aim of this paper is to investigate the free vibration behavior of the micro sandwich beam composing of five layers such as functionally graded (FG) porous core, nanocomposite reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and piezomagnetic/piezoelectric layers subjected to magneto electrical potential resting on silica aerogel foundation. The effect of foundation has been taken into account using Vlasov model in addition to rigid base assumption. For this purpose, an iterative technique is applied. The material properties of the FG porous core and FG nanocomposite layers are considered to vary throughout the thickness direction of the beams. Based on the Timoshenko beam theory and Hamilton's principle, the governing equations of motion for the micro sandwich beam are obtained. The Navier's type solution is utilized to obtain analytical solutions to simply supported micro sandwich beam. Results are verified with corresponding literatures. In the following, a study is carried out to find the effects of the porosity coefficient, porous distribution, volume fraction of CNT, the thickness of silica aerogel foundation, temperature and moisture, geometric parameters, electric and magnetic potentials on the vibration of the micro sandwich beam. The results are helpful for the design and applications of micro magneto electro mechanical systems.
Arefi, Mohammad;Pourjamshidian, Mahmoud;Arani, Ali Ghorbanpour
Steel and Composite Structures
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제32권2호
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pp.157-171
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2019
In this research, the dynamic instability region (DIR) of the sandwich nano-beams are investigated based on nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) and various higher order shear deformation beam theories (HSDBTs). The sandwich piezoelectric nano-beam is including a homogenous core and face-sheets reinforced with functionally graded (FG) carbon nanotubes (CNTs). In present study, three patterns of CNTs are employed in order to reinforce the top and bottom face-sheets of the beam. In addition, different higher-order shear deformation beam theories such as trigonometric shear deformation beam theory (TSDBT), exponential shear deformation beam theory (ESDBT), hyperbolic shear deformation beam theory (HSDBT), and Aydogdu shear deformation beam theory (ASDBT) are considered to extract the governing equations for different boundary conditions. The beam is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Visco-Pasternak foundation. Hamilton principle is used to derive the governing equations of motion based on various shear deformation theories. In order to analysis of the dynamic instability behaviors, the linear governing equations of motion are solved using differential quadrature method (DQM). After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various shear deformation theories, nonlocal parameter, strain gradient parameter, the volume fraction of the CNTs, various distributions of the CNTs, different boundary conditions, dimensionless geometric parameters, Visco-Pasternak foundation parameters, applied voltage and temperature change on the dynamic instability characteristics of sandwich piezoelectric nano-beam.
An accurate plate theory for assessing sandwich structures is of interest in order to provide precise results. Hence, this paper develops Layer-Wise (LW) theory for reaching precise results in terms of buckling and vibration behavior of Functionally Graded Carbon Nanotube-Reinforced Composite (FG-CNTRC) annular nanoplates. Furthermore, for simulating the structure much more realistic, its edges are elastically restrained against in-plane and transverse displacement. The nano structure is integrated with piezoelectric layers. Four distributions of Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs) along the thickness direction of the core layer are investigated. The Differential Quadrature Method (DQM) is utilized to solve the motion equations of nano structure subjected to the electric field. The influence of various parameters is depicted on both critical buckling load and frequency of the structure. The accuracy of solution procedure is demonstrated by comparing results with classical edge conditions. The results ascertain that the effects of different distributions of CNTs and their volume fraction are significant on the behavior of the system. Furthermore, the amount of in-plane and transverse spring coefficients plays an important role in the buckling and vibration behavior of the nano-structure and optimization of nano-structure design.
Mousavi, S. Behnam;Amir, Saeed;Jafari, Akbar;Arshid, Ehsan
Advances in nano research
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제10권3호
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pp.235-251
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2021
In the current study, the free vibrational behavior of a Porous Micro (PM) beam which is integrated with Functionally Graded Piezoelectric (FGP) layers with initial curvature is considered based on the two trigonometric shear deformation theories namely SSDBT and Tan-SDBT. The structure's mechanical properties are varied through its thicknesses following the given functions. The curved microbeam is exposed to electro-mechanical preload and also is rested on a Pasternak type of elastic foundation. Hamilton's principle is used to extract the motion equations and the MCST is used to capture the size effect. Navier's solution method is selected as an analytical method to solve the motion equations for a simply supported ends case and by validating the results for a simpler state with previously published works, effects of different important parameters on the behavior of the structure are considered. It is found that although increasing the porosity reduces the natural frequency, but enhancing the volume fraction of CNTs increasing it. Also, by increasing the central angle of the curved beam the vibrations of the structure increases. Designing and manufacturing more efficient smart structures such as sensors and actuators are of the aims of this study.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad;Arani, M.R. Ghorbanpour
Structural Engineering and Mechanics
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제69권4호
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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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