In the present study, for first time the size dependent vibration behavior of a rotating functionally graded (FG) Timoshenko nanobeam based on Eringen's nonlocal theory is investigated. It is assumed that the physical and mechanical properties of the FG nanobeam are varying along the thickness based on a power law equation. The governing equations are determined using Hamilton's principle and the generalized differential quadrature method (GDQM) is used to obtain the results for cantilever boundary conditions. The accuracy and validity of the results are shown through several numerical examples. In order to display the influence of size effect on first three natural frequencies due to change of some important nanobeam parameters such as material length scale, angular velocity and gradient index of FG material, several diagrams and tables are presented. The results of this article can be used in designing and optimizing elastic and rotary type nano-electro-mechanical systems (NEMS) like nano-motors and nano-robots including rotating parts.
In this article, the problem of a two-dimensional thermoelastic half-space are studied using mathematical methods under the purview of the generalized thermoelastic theory with one relaxation time is studied. The surface of the half-space is taken to be thermally insulated and traction free. Accordingly, the variations of physical quantities due to by laser pulse given by the heat input. The nonhomogeneous governing equations have been written in the form of a vector-matrix differential equation, which is then solved by the eigenvalue approach. The analytical solutions are obtained for the temperature, the components of displacement and stresses. The resulting quantities are depicted graphically for different values of thermal relaxation time. The result provides a motivation to investigate the effect of the thermal relaxation time on the physical quantities.
The present investigation is concerned with the effect of two temperatures on functionally graded (FG) nanobeams subjected to sinusoidal pulse heating sources. Material properties of the nanobeam are assumed to be graded in the thickness direction according to a novel exponential distribution law in terms of the volume fractions of the metal and ceramic constituents. The upper surface of the FG nanobeam is fully ceramic whereas the lower surface is fully metal. The generalized two-temperature nonlocal theory of thermoelasticity in the context of Lord and Shulman's (LS) model is used to solve this problem. The governing equations are solved in the Laplace transformation domain. The inversion of the Laplace transformation is computed numerically using a method based on Fourier series expansion technique. Some comparisons have been shown to estimate the effects of the nonlocal parameter, the temperature discrepancy and the pulse width of the sinusoidal pulse. Additional results across the thickness of the nanobeam are presented graphically.
A numerical study has been performed to predict the characteristics on the transient operation of the heat pipe with multiple heaters for electronic cooling. The model of the heat pipe was composed of the evaporator section with four heaters, insulated transport section, and the condensor section with a conductor which is cooled with uniform heat flux condition to surrounding. The governing equations and the boundary conditions were solved by the generalized PHOENICS computational code employing the finite volume method. Two test cases are investigated in present study; Case 1 indicates that the 1st and 2nd heaters among four heating sources are heated off, while the 3rd and 4th heaters are heated on. Case 2 is the inverse situation switched from heating location of Case 1. The results show that the transient time to reach the steady state is shorter for Case 1 than for Case 2. Especially, the temperature difference of the heater during switching operation is relatively small compared to the maximum allowable operating temperature difference in electronic system. Hence, it is predicted that the heat pipe in present study operates with thermally good reliability even for switching the heaters.
In this study, the authors present an analytical approach to find the axisymmetric buckling load of two joined isotropic conical shells under axial compression. The problem of two joined conical shells may be considered as the generalized form of joined cylindrical and conical shells with constant or stepped thicknesses. Thickness of each cone is constant; however it may be different from the thickness of the other cone. The boundary conditions are assumed to be simply supported with rigid rings. The governing equations for the conical shells are obtained and solved with an analytical approach. A simple closed-form expression is obtained for the buckling load of two joined truncated conical shells. Results are compared and validated with the numerical results of finite element method. The variation of buckling load with changes in the thickness and semi-vertex angles of the two cones is studied. Finally, application of the results in practical design and range of engineering validity are investigated.
In the present research, for the first time, the vibrational as well as buckling characteristics of a three-layered curved nanobeam including a core made of functionally graded (FG) material and two layers of smart material-piezo-magneto-electric-resting on a Winkler Pasternak elastic foundation are examined. The displacement field for the nanobeam is chosen via Timoshenko beam theory. Also, the size dependency is taken into account by using nonlocal strain gradient theory, aka NSGT. Then, by employing Hamilton's principle, energy procedure, the governing equations together with the boundary conditions are achieved. The solution procedure is a numerical solution called generalized differential quadrature method, or GDQM. The accuracy and reliability of the formulation alongside solution method is examined by using other published articles. Lastly, the parameter which can alter and affect the buckling or vocational behavior of the curved nanobeam is investigated in details.
Using artificial intelligence and internet of things methods in engineering and industrial problems has become a widespread method in recent years. The low computational costs and high accuracy without the need to engage human resources in comparison to engineering demands are the main advantages of artificial intelligence. In the present paper, a deep neural network (DNN) with a specific method of optimization is utilize to predict fundamental natural frequency of a cylindrical structure. To provide data for training the DNN, a detailed numerical analysis is presented with the aid of functionally modified couple stress theory (FMCS) and first-order shear deformation theory (FSDT). The governing equations obtained using Hamilton's principle, are further solved engaging generalized differential quadrature method. The results of the numerical solution are utilized to train and test the DNN model. The results are validated at the first step and a comprehensive parametric results are presented thereafter. The results show the high accuracy of the DNN results and effects of different geometrical, modeling and material parameters in the natural frequencies of the structure.
In the current research, the thermal buckling characteristics of the bi-directional functionally graded nano-scale tapered beam on the basis of a couple of nonlocal Eringen and classical beam theories are scrutinized. The nonlocal governing equation and associated nonlocal boundary conditions are constructed using the conservation energy principle, and the resulting equations are solved using the generalized differential quadrature method (GDQM). The mechanical characteristics of the produced material are altered along both the beam length and thickness direction, indicating that it is a two-dimensional functionally graded material (2D-FGM). It is thought that the nanostructures are defective because to the presence of porosity voids. Finally, the obtained results are used to design small-scale sensors and make an excellent panorama of developing the production of nanostructures.
Zhou, Changlin;Zhang, Zhongxian;Zhang, Ji;Fang, Yuan;Tahouneh, Vahid
Steel and Composite Structures
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v.34
no.2
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pp.215-226
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2020
The aim of this study is to investigate free vibration of functionally graded porous nanocomposite rectangular plates where the internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix either uniformly or non-uniformly according to three different patterns. The elastic properties of the nanocomposite are obtained by employing Halpin-Tsai micromechanics model. The GPL-reinforced plate is modeled using a semi-analytic approach composed of generalized differential quadrature method (GDQM) and series solution adopted to solve the equations of motion. The proposed rectangular plates have two opposite edges simply supported, while all possible combinations of free, simply supported and clamped boundary conditions are applied to the other two edges. The 2-D differential quadrature method as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. The convergence of the method is demonstrated and to validate the results, comparisons are made between the present results and those reported by well-known references for special cases treated before, have confirmed accuracy and efficiency of the present approach. New results reveal the importance of porosity coefficient, porosity distribution, graphene platelets (GPLs) distribution, geometrical and boundary conditions on vibration behavior of porous nanocomposite plates. It is observed that the maximum vibration frequency obtained in the case of symmetric porosity and GPL distribution, while the minimum vibration frequency is obtained using uniform porosity distribution.
Integrated finite difference method (IFDM) is used to solve one dimensional free oscillation problem in the coastal area. To evaluate the solution accuracy of IFDM in free oscillation analysis, two finite difference equations based on area discretization method and point discretization method are derived from the governing equations of free oscillation, respectively. The difference equations are transformed into a generalized eigenvalue problem, respectively. A numerical example is presented, for which the analytical solution is available, for comparing IFDM to conventional finite difference equation (CFDM), qualitatively. The eigenvalue matrices are solved by sub-space iteration method. The numerical results of the two methods are in good agreement with analytical ones, however, IFDM yields better solution than CFDM in lower modes because IFDM only includes first order differential operator in finite difference equation by Green's theorem. From these results, it is concluded that IFDM is useful for the free oscillation analysis in the coastal area.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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