In this work, we have employed the strain gradient plasticity theory to investigate the effect of material size on the deformation behavior in metal forming process. Flow stress is expressed in terms of strain, strain gradient (spatial derivative of strain) and intrinsic material length. The least square method coupled with strain gradient plasticity was used to calculate the components of strain gradient at each element of material. For demonstrating the size effect, the proposed approach has been applied to plane compression process and micro rolling process. Results show when the characteristic length of the material comes to the intrinsic material length, the effect of strain gradient is noteworthy. For the microcompression, the additional work hardening at higher strain gradient regions results in uniform distribution of strain. In the case of micro-rolling, the strain gradient is remarkable at the exit section where the actual reduction of the rolling finishes and subsequently strong work hardening take places at the section. This results in a considerable increase in rolling force. Rolling force with the strain gradient plasticity considered in analysis increases by 20% compared to that with conventional plasticity theory.
This paper develops a nonlocal strain gradient plate model for vibration analysis of graphene sheets under thermal environments. For more accurate analysis of graphene sheets, the proposed theory contains two scale parameters related to the nonlocal and strain gradient effects. Graphene sheet is modeled via a two-variable shear deformation plate theory needless of shear correction factors. Governing equations of a nonlocal strain gradient graphene sheet on elastic substrate are derived via Hamilton's principle. Differential quadrature method (DQM) is implemented to solve the governing equations for different boundary conditions. Effects of different factors such as temperature rise, nonlocal parameter, length scale parameter, elastic foundation and aspect ratio on vibration characteristics a graphene sheets are studied. It is seen that vibration frequencies and critical buckling temperatures become larger and smaller with increase of strain gradient and nonlocal parameter, respectively.
This article investigates the longitudinal vibration of a nanorod embedded in viscoelastic medium according to the nonlocal strain gradient theory. Viscoelastic medium is considered based on Kelvin-Voigt model. Governing partial differential equation is derived based on longitudinal equilibrium and analytical solution is obtained by adopting harmonic motion solution for the nanorod. Modal frequencies and corresponding damping ratios are presented to demonstrate the influences of nonlocal parameter, material length scale, elastic and damping parameters of the viscoelastic medium. It is observed that material length scale parameter is very influential on modal frequencies especially at lower values of nonlocal parameter whereas increase in length scale parameter has less effect at higher values of nonlocal parameter when the medium is purely elastic. Elastic stiffness and damping coefficient of the medium have considerable impacts on modal frequencies and damping ratios, and the highest impact of these parameters on frequency and damping ratio is seen in the first mode. Results calculated based on strain gradient theory are quite different from those calculated based on classical elasticity theory. Hence, nonlocal strain gradient theory including length scale parameter can be used to get more accurate estimations of frequency response of nanorods embedded in viscoelastic medium.
This work is concerned with transverse vibrations of axially traveling nanobeams including strain gradient and thermal effects. The strain gradient elasticity theory and the temperature field are taken into consideration. A new higher-order differential equation of motion is derived from the variational principle and the corresponding higher-order non-classical boundary conditions including simple, clamped, cantilevered supports and their higher-order "offspring" are established. Effects of strain gradient nanoscale parameter, temperature change, shape parameter and axial traction on the natural frequencies are presented and discussed through some numerical examples. It is concluded that the factors mentioned above significantly influence the dynamic behaviors of an axially traveling nanobeam. In particular, the strain gradient effect tends to induce higher vibration frequencies as compared to an axially traveling macro beams based on the classical vibration theory without strain gradient effect.
This article focuses on the study of the buckling behavior of two-dimensional functionally graded (2D-FG) nanosize tubes, including porosity, based on the first shear deformation and higher-order theory of the tube. The nano-scale tube is simulated using the nonlocal gradient strain theory, and the general equations and boundary conditions are derived using Hamilton's principle for the Zhang-Fu's tube model (as a higher-order theory) and Timoshenko beam theory. Finally, the derived equations are solved using a numerical method for both simply-supported and clamped boundary conditions. A parametric study is performed to investigate the effects of different parameters, such as axial and radial FG power indices, porosity parameter, and nonlocal gradient strain parameters, on the buckling behavior of the bi-dimensional functionally graded porous tube. Keywords: Nonlocal strain gradient theory; buckling; Zhang-Fu's tube model; Timoshenko theory; Two-dimensional functionally graded materials; Nanotubes; Higher-order theory.
Free vibration analysis of a three-layered microbeam including an elastic micro-core and two piezo-magnetic face-sheets resting on Pasternak's foundation are studied in this paper. Strain gradient theory is used for size-dependent modeling of microbeam. In addition, three-unknown shear and normal deformations theory is employed for description of displacement field. Hamilton's principle is used for derivation of the governing equations of motion in electro-magneto-mechanical loads. Three micro-length-scale parameters based on strain gradient theory are employed for prediction of vibrational characteristics of structure in micro-scale. The results show that increase of three micro-length-scale parameters leads to significant increase of three natural frequencies especially for increase of second micro-length-scale parameter. This result is according to this fact that stiffness of a micro-scale structure is increased with increase of micro-length-scale parameters.
This study explores the linear and nonlinear solutions of sigmoid functionally graded material (S-FGM) nanoplate with porous effects. A size-dependent numerical solution is established using the strain gradient theory and isogeometric finite element formulation. The nonlinear nonlocal strain gradient is developed based on the Reissner-Mindlin plate theory and the Von-Karman strain assumption. The sigmoid function is utilized to modify the classical functionally graded material to ensure the constituent volume distribution. Two different patterns of porosity distribution are investigated, viz. pattern A and pattern B, in which the porosities are symmetric and asymmetric varied across the plate's thickness, respectively. The nonlinear finite element governing equations are established for bending analysis of S-FGM nanoplates, and the Newton-Raphson iteration technique is derived from the nonlinear responses. The isogeometric finite element method is the most suitable numerical method because it can satisfy a higher-order derivative requirement of the nonlocal strain gradient theory. Several numerical results are presented to investigate the influences of porosity distributions, power indexes, aspect ratios, nonlocal and strain gradient parameters on the porous S-FGM nanoplate's linear and nonlinear bending responses.
Mohammad Hosseini;Parisa Chahargonbadizade;Mohammadreza Mofidi
Structural Engineering and Mechanics
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제88권4호
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pp.335-354
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2023
In this study, analysis of wave propagation characteristics for functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) nanoplates is performed using first-order shear deformation theory (FSDT) and nonlocal strain gradient theory. Uniform distribution (UD) and three types of functionally graded distributions of carbon nanotubes (CNTs) are assumed. The effective mechanical properties of the FG-CNTRC nanoplate are assumed to vary continuously in the thickness direction and are approximated based on the rule of mixture. Also, the governing equations of motion are derived via the extended Hamilton's principle. In numerical examples, the effects of nonlocal parameter, wavenumber, angle of wave propagation, volume fractions, and carbon nanotube distributions on the wave propagation characteristics of the FG-CNTRC nanoplate are studied. As represented in the results, it is clear that the internal length-scale parameter has a remarkable effect on the wave propagation characteristics resulting in significant changes in phase velocity and natural frequency. Furthermore, it is observed that the strain gradient theory yields a higher phase velocity and frequency compared to those obtained by the nonlocal strain gradient theory and classic theory.
According to a generalized nonlocal strain gradient theory (NSGT), dynamic modeling and free vibrational analysis of nanoporous inhomogeneous nanoplates is presented. The present model incorporates two scale coefficients to examine vibration behavior of nanoplates much accurately. Porosity-dependent material properties of the nanoplate are defined via a modified power-law function. The nanoplate is resting on a viscoelastic substrate and is subjected to hygro-thermal environment and in-plane linearly varying mechanical loads. The governing equations and related classical and non-classical boundary conditions are derived based on Hamilton's principle. These equations are solved for hinged nanoplates via Galerkin's method. Obtained results show the importance of hygro-thermal loading, viscoelastic medium, in-plane bending load, gradient index, nonlocal parameter, strain gradient parameter and porosities on vibrational characteristics of size-dependent FG nanoplates.
Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bessaim, Aicha;Bernard, Fabrice;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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제28권1호
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pp.13-24
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2018
A size-dependent novel hyperbolic shear deformation theory of simply supported functionally graded beams is presented in the frame work of the non-local strain gradient theory, in which the stress accounts for only the nonlocal strain gradients stress field. The thickness stretching effect (${\varepsilon}_z{\neq}0$) is also considered here. Elastic coefficients and length scale parameter are assumed to vary in the thickness direction of functionally graded beams according to power-law form. The governing equations are derived using the Hamilton principle. The closed-form solutions for exact critical buckling loads of nonlocal strain gradient functionally graded beams are obtained using Navier's method. The derived results are compared with those of strain gradient theory.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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