Juncheng Fan;Qinyang Li;Sami Muhsen;H. Elhosiny Ali
Computers and Concrete
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v.31
no.2
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pp.139-149
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2023
This article investigates the statically analysis regarding the thermal buckling behavior of a nonuniform small-scale nanobeam made of functionally graded material based on classic beam theories along with the nonlocal Eringen elasticity. The material distribution of functionally graded structures is composed of temperature-dependent ceramic and metal phases in axial and thickness directions, called two-dimensional functionally graded (2D-FG). The partial differential (PD) formulations and end conditions are extracted by using to the conservation energy method. The porosity voids are assumed in the nonuniform functionally graded (FG) structure. The thermal loads are in the axial direction of the beam. The extracted nonlocal PD equations are also solved by employing generalized differential quadrature method (GDQM). Last but not least, the information acquired is used to produce miniature sensors, providing a unique perspective on the growth of nanoelectromechanical systems (NEMS).
Using the non-local elasticity theory, Timoshenko beam model is developed to study the non- local buckling of Triple-walled carbon nanotubes (TWCNTs) embedded in an elastic medium under axial compression. The chirality and small scale effects are considered. The effects of the surrounding elastic medium based on a Winkler model and van der Waals' (vdW) forces between the inner and middle, also between the middle and outer nanotubes are taken into account. Considering the small-scale effects, the governing equilibrium equations are derived and the critical buckling loads under axial compression are obtained. The results show that the critical buckling load can be overestimated by the local beam model if the small-scale effect is overlooked for long nanotubes. In addition, significant dependence of the critical buckling loads on the chirality of zigzag carbon nanotube is confirmed. Furthermore, in order to estimate the impact of elastic medium on the non-local critical buckling load of TWCNTs under axial compression, the use of these findings are important in mechanical design considerations, improve and reinforcement of devices that use carbon nanotubes.
Semmah, Abdelwahed;Beg, O. Anwar;Mahmoud, S.R.;Heireche, Houari;Tounsi, Abdelouahed
Advances in materials Research
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v.3
no.2
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pp.77-89
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2014
In the present article, the thermal buckling of zigzag single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) is studied using a nonlocal refined shear deformation beam theory and Von-Karman geometric nonlinearity. The model developed simulates both small scale effects and higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the nanobeam. Furthermore the present formulation also accommodates stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the nanobeam. A shear correction factor, therefore, is not required. The equivalent Young's modulus and shear modulus for zigzag SWCNTs are derived using an energy-equivalent model. The present study illustrates that the thermal buckling properties of SWCNTs are strongly dependent on the scale effect and additionally on the chirality of zigzag carbon nanotube. Some illustrative examples are also presented to verify the present formulation and solutions. Good agreement is observed.
Dehsaraji, Maryam Lori;Arefi, Mohammad;Loghman, Abbas
Steel and Composite Structures
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v.34
no.5
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pp.657-670
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2020
In this paper, vibration analysis of functionally graded nanoshell is studied based on the sinusoidal higher-order shear and normal deformation theory to account thickness stretching effect. To account size-dependency, Eringen nonlocal elasticity theory is used. For more accurate modeling the problem and corresponding numerical results, sinusoidal higher-order shear and normal deformation theory including out of plane normal strain is employed in this paper. The radial displacement is decomposed into three terms to show variation along the thickness direction. Governing differential equations of motion are derived using Hamilton's principle. It is assumed that the cylindrical shell is made of an arbitrary composition of metal and ceramic in which the local material properties are measured based on power law distribution. To justify trueness and necessity of this work, a comprehensive comparison with some lower order and lower dimension works and also some 3D works is presented. After presentation of comparative study, full numerical results are presented in terms of significant parameters of the problem such as small scale parameter, length to radius ratio, thickness to radius ratio, and number of modes.
In this paper, the classical and non-classical boundary conditions effect on free vibration characteristics of functionally graded (FG) size-dependent nanobeams are investigated by presenting a semi analytical differential transform method (DTM) for the first time. Three kinds of mathematical models, namely; power law (P-FGM), sigmoid (S-FGM) and Mori-Tanaka (MT-FGM) distribution are considered to describe the material properties in the thickness direction. The nonlocal Eringen theory takes into account the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanosensors and nanoactuators. Governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi analytical differential transform method. 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 small scale effects, spring constant factors, various material compositions and mode number on the normalized natural frequencies of the FG nanobeams in detail. It is explicitly shown that the vibration of FG nanobeams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FG nanobeams.
Rapid advances in the engineering applications can bring further areas to provide the opportunity to manipulate anisotropic structures for direct productivity in design of micro/nano-structures. For the first time, magnetic affected wave characteristics of nanosize plates made of anisotropic material is investigated via the three-dimensional bi-Helmholtz nonlocal strain gradient theory. Three small scale parameters are used to predict the size-dependent behavior of the nanoplates more accurately. After owing governing equations of wave motion, an analytical approach based harmonic series is utilized to fine the wave frequency as well as phase velocity. It is observed that the small scale parameters, magnetic field and wave number have considerable influence on the wave characteristics of anisotropic nanoplates. Due to the lack of any study on the mechanics of three-dimensional bi-Helmholtz gradient plates made of anisotropic materials, it is hoped that the present exact model may be used as a benchmark for future works of such nanostructures.
The present paper examines the stability analysis of the buckling differentiae of the small-scale, non-uniform porosity-dependent functionally graded (PD-FG) tube. The high-order beam theory and nonlocal strain gradient theory are operated for the mathematical modeling of nanotubes based on the Hamilton principle. In this paper, the external radius function is non-uniform. In contrast, the internal radius is uniform, and the cross-section changes along the tube length due to these radius functions based on the four types of useful mathematical functions. The PD-FG material distributions are varied in the radial direction and made with ceramics and metals. The governing partial differential equations (PDEs) and associated boundary conditions are solved via a numerical method for different boundary conditions. The received outcomes concerning different presented parameters are valuable to the design and production of small-scale devices and intelligent structures.
Mustafa Oguz Nalbant;Suleyman Murat Bagdatli;Ayla Tekin
Advances in nano research
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v.15
no.3
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pp.215-224
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2023
Nonlinearity plays an important role in control systems and the application of design. For this reason, in addition to linear vibrations, nonlinear vibrations of the stepped nanobeam are also discussed in this manuscript. This study investigated the vibrations of stepped nanobeams according to Eringen's nonlocal elasticity theory. Eringen's nonlocal elasticity theory was used to capture the nanoscale effect. The nanoscale stepped Euler Bernoulli beam is considered. The equations of motion representing the motion of the beam are found by Hamilton's principle. The equations were subjected to nondimensionalization to make them independent of the dimensions and physical structure of the material. The equations of motion were found using the multi-time scale method, which is one of the approximate solution methods, perturbation methods. The first section of the series obtained from the perturbation solution represents a linear problem. The linear problem's natural frequencies are found for the simple-simple boundary condition. The second-order part of the perturbation solution is the nonlinear terms and is used as corrections to the linear problem. The system's amplitude and phase modulation equations are found in the results part of the problem. Nonlinear frequency-amplitude, and external frequency-amplitude relationships are discussed. The location of the step, the radius ratios of the steps, and the changes of the small-scale parameter of the theory were investigated and their effects on nonlinear vibrations under simple-simple boundary conditions were observed by making comparisons. The results are presented via tables and graphs. The current beam model can assist in designing and fabricating integrated such as nano-sensors and nano-actuators.
In this study, the influences of triaxial magnetic field on the wave propagation behavior of anisotropic nanoplates are studied. In order to include small scale effects, nonlocal strain gradient theory has been implemented. To study the nanoplate as a continuum model, the three-dimensional elasticity theory is adopted in Cartesian coordinate. In our study, all the elastic constants are considered and assumed to be the functions of (x, y, z), so all kind of anisotropic structures such as hexagonal and trigonal materials can be modeled, too. Moreover, all types of functionally graded structures can be investigated. eigenvalue method is employed and analytical solutions for the wave propagation are obtained. To justify our methodology, our results for the wave propagation of isotropic nanoplates are compared with the results available in the literature and great agreement is achieved. Five different types of anisotropic structures are investigated in present paper and then the influences of wave number, material properties, nonlocal and gradient parameter and uniaxial, biaxial and triaxial magnetic field on the wave propagation analysis of anisotropic nanoplates are presented. From the best knowledge of authors, it is the first time that three-dimensional elasticity theory and nonlocal strain gradient theory are used together with no approximation to derive the governing equations. Moreover, up to now, the effects of triaxial magnetic field have not been studied with considering size effects in nanoplates. According to the lack of any common approximations in the displacement field or in elastic constant, present theory has the potential to be used as a bench mark for future works.
Belkacem Selmoune;Abdelwahed Semmah;Mohammed L. Bouchareb;Fouad Bourada;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta
Advances in materials Research
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v.12
no.3
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pp.243-261
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2023
This study aims to analyze the mechanical buckling behavior of a single-walled carbon nanotube (SWCNT) integrated with a one-parameter elastic medium and modeled as a Kerr-type foundation under a longitudinal magnetic field. The structure is considered homogeneous and therefore modeled utilizing the nonlocal first shear deformation theory (NL-FSDT). This model targets thin and thick structures and considers the effect of the transverse shear deformation and small-scale effect. The Kerr model describes the elastic matrix, which takes into account the transverse shear strain and normal pressure. Using the nonlocal elastic theory and taking into account the Lorentz magnetic force acquired from Maxwell relations, the stability equation for buckling analysis of a simply supported SWCNT under a longitudinal magnetic field is obtained. Moreover, the mechanical buckling load behavior with respect to the impacts of the magnetic field and the elastic medium parameters considering the nonlocal parameter, the rotary inertia, and transverse shear deformation was examined and discussed. This study showed useful results that can be used for the design of nano-transistors that use the buckling properties of single-wall carbon nanotubes(CNTs) due to the creation of the magnetic field effect.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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