Messai, Abderraouf;Fortas, Lahcene;Merzouki, Tarek;Houari, Mohammed Sid Ahmed
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.4
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pp.461-479
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2022
A finite element method analysis framework is introduced for the free vibration analyses of functionally graded porous beam structures by employing two variables trigonometric shear deformation theory. Both Young's modulus and material density of the FGP beam element are simultaneously considered as grading through the thickness of the beam. The finite element approach is developed using a nonlocal strain gradient theory. The governing equations derived here are solved introducing a 3-nodes beam element. A comprehensive parametric study is carried out, with a particular focus on the effects of various structural parameters such as the dispersion patterns of GPL reinforcements and porosity, thickness ratio, boundary conditions, nonlocal scale parameter and strain gradient parameters. The results indicate that porosity distribution and GPL pattern have significant effects on the response of the nanocomposite beams.
Ahmed Amine Daikh;Ahmed Drai;Mohamed Ouejdi Belarbi;Mohammed Sid Ahmed Houari;Benoumer Aour;Mohamed A. Eltaher;Norhan A. Mohamed
Advances in nano research
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v.16
no.3
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pp.289-301
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2024
In this work, an analytical model employing a new higher-order shear deformation beam theory is utilized to investigate the bending behavior of axially randomly oriented functionally graded carbon nanotubes reinforced composite nanobeams. A modified continuum nonlocal strain gradient theory is employed to incorporate both microstructural effects and geometric nano-scale length scales. The extended rule of mixture, along with molecular dynamics simulations, is used to assess the equivalent mechanical properties of functionally graded carbon nanotubes reinforced composite (FG-CNTRC) beams. Carbon nanotube reinforcements are randomly distributed axially along the length of the beam. The equilibrium equations, accompanied by nonclassical boundary conditions, are formulated, and Navier's procedure is used to solve the resulting differential equation, yielding the response of the nanobeam under various mechanical loadings, including uniform, linear, and sinusoidal loads. Numerical analysis is conducted to examine the influence of inhomogeneity parameters, geometric parameters, types of loading, as well as nonlocal and length scale parameters on the deflections and stresses of axially functionally graded carbon nanotubes reinforced composite (AFG CNTRC) nanobeams. The results indicate that, in contrast to the nonlocal parameter, the beam stiffness is increased by both the CNTs volume fraction and the length-scale parameter. The presented model is applicable for designing and analyzing microelectromechanical systems (MEMS) and nanoelectromechanical systems (NEMS) constructed from carbon nanotubes reinforced composite nanobeams.
This paper proposes an analytical method to investigate the free vibration behaviour of new functionally graded (FG) carbon nanotubes reinforced composite beams based on a higher-order shear deformation theory. Cosine functions represent the material gradation and material properties via the thickness. The kinematic relations of the beam are proposed according to trigonometric functions. The equilibrium equations are obtained using the virtual work principle and solved using Navier's method. A comparative evaluation of results against predictions from literature demonstrates the accuracy of the proposed analytical model. Moreover, a detailed parametric analysis checks for the sensitivity of the vibration response of FG nanobeams to nonlocal length scale, strain gradient microstructure-scale, material distribution and geometry.
This disquisition proposes a nonlocal strain gradient beam theory for thermo-mechanical dynamic characteristics of embedded smart shear deformable curved piezoelectric nanobeams made of porous electro-elastic functionally graded materials by using an analytical method. Electro-elastic properties of embedded curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary through the thickness direction of beam according to the power-law which is modified to approximate material properties for even distributions of porosities. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, so in this study thermo-mechanical vibration analysis of curve FG piezoelectric nanobeam by considering the effect of these imperfections is performed. Nonlocal strain gradient elasticity theory is utilized to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field. The governing equations and related boundary condition of embedded smart curved porous FG nanobeam subjected to thermal and electric field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved piezoelectric nanobeam resting on Winkler and Pasternak foundation. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, electric voltage, coefficient of porosity, elastic foundation parameters, thermal effect, gradient index, strain gradient, elastic opening angle and slenderness ratio on the natural frequency of embedded curved FG porous piezoelectric nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play important roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
This paper is concerned with the wave propagation behavior of rotating functionally graded temperature-dependent nanoscale beams subjected to thermal loading based on nonlocal strain gradient stress field. Uniform, linear and nonlinear temperature distributions across the thickness are investigated. Thermo-elastic properties of FG beam change gradually according to the Mori-Tanaka distribution model in the spatial coordinate. The nanobeam is modeled via a higher-order shear deformable refined beam theory which has a trigonometric shear stress function. The governing equations are derived by Hamilton's principle as a function of axial force due to centrifugal stiffening and displacement. By applying an analytical solution and solving an eigenvalue problem, the dispersion relations of rotating FG nanobeam are obtained. Numerical results illustrate that various parameters including temperature change, angular velocity, nonlocality parameter, wave number and gradient index have significant effect on the wave dispersion characteristics of the understudy nanobeam. The outcome of this study can provide beneficial information for the next generation researches and exact design of nano-machines including nanoscale molecular bearings and nanogears, etc.
Ahmed Drai;Ahmed Amine Daikh;Mohamed Oujedi Belarbi;Mohammed Sid Ahmed Houari;Benoumer Aour;Amin Hamdi;Mohamed A. Eltaher
Advances in nano research
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v.14
no.3
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pp.211-224
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2023
This work presents a modified analytical model for the bending behavior of axially functionally graded (AFG) carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) nanobeams. New higher order shear deformation beam theory is exploited to satisfy parabolic variation of shear through thickness direction and zero shears at the bottom and top surfaces.A Modified continuum nonlocal strain gradient theoryis employed to include the microstructure and the geometrical nano-size length scales. The extended rule of the mixture and the molecular dynamics simulations are exploited to evaluate the equivalent mechanical properties of FG-CNTRC beams. Carbon nanotubes reinforcements are distributed axially through the beam length direction with a new power graded function with two parameters. The equilibrium equations are derived with associated nonclassical boundary conditions, and Navier's procedure are used to solve the obtained differential equation and get the response of nanobeam under uniform, linear, or sinusoidal mechanical loadings. Numerical results are carried out to investigate the impact of inhomogeneity parameters, geometrical parameters, loadings type, nonlocal and length scale parameters on deflections and stresses of the AFG CNTRC nanobeams. The proposed model can be used in the design and analysis of MEMS and NEMS systems fabricated from carbon nanotubes reinforced composite nanobeam.
This study focuses on wave propagation analysis in the curved nanobeam exposed to different thermal loadings based on the Nonlocal Strain Gradient Theory (NSGT). Mechanical properties of the constitutive materials are assumed to be temperature-dependent and functionally graded. For modeling, the governing equations are derived using Hamilton's principle. Using the proposed model, the effects of small-scale, geometrical, and thermo-mechanical parameters on the dynamic behavior of the curved nanobeam are studied. A small-scale parameter, Z, is taken into account that collectively represents the strain gradient and the nonlocal parameters. When Z<1 or Z>1, the phase velocity decreases/increases, and the stiffness-softening/hardening phenomenon occurs in the curved nanobeam. Accordingly, the phase velocity depends more on the strain gradient parameter rather than the nonlocal parameter. As the arc angle increases, more variations in the phase velocity emerge in small wavenumbers. Furthermore, an increase of ∆T causes a decrease in the phase velocity, mostly in the case of uniform temperature rise rather than heat conduction. For verification, the results are compared with those available for the straight nanobeam in the previous studies. It is believed that the findings will be helpful for different applications of curved nanostructures used in nano-devices.
Abdulaziz Saud Khider;Ali Aalsaud;Nadhim M. Faleh;Abeer K. Abd;Mamoon A.A. Al-Jaafari;Raad M. Fenjan
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.15-24
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2024
This research presents dynamical reaction investigation of pore-dependent and nano-thickness beams having functional gradation (FG) constituents exposed to a movable particle. The nano-thickness beam formulation has been appointed with the benefits of refined high orders beam paradigm and nonlocal strain gradient theory (NSGT) comprising two scale moduli entitled nonlocality and strains gradient modulus. The graded pore-dependent constituents have been designed through pore factor based power-law relations comprising pore volumes pursuant to even or uneven pore scattering. Therewith, variable scale modulus has been thought-out until process a more accurate designing of scale effects on graded nano-thickness beams. The motion equations have been appointed to be solved via Ritz method with the benefits of Chebyshev polynomials in cosine form. Also, Laplace transform techniques help Ritz-Chebyshev method to obtain the dynamical response in time domain. All factors such as particle speed, pores and variable scale modulus affect the dynamical response.
We study the bending wave, shear wave and longitudinal wave characteristics in the double nanobeams in this paper for the first time, in the process of research, based on the Reddy's higher-order shear deformation theory and considering shear layer stiffness, linear stiffness, inter-laminar stiffness, the pore volume fraction, temperature variation, functionally graded index influence on wave propagation, based on the nonlocal strain gradient theory and Hamilton variational principle, the wave equation of the double-nanometer beams are derived. Since there are three different motion states for the double nanobeams, which includes the cases of "in phase", "out of phase" and "one nanobeam fixed", the propagation characteristics of shear-, bending-, and longitudinal- waves in these three cases are discussed respectively, and some valuable conclusions are obtained.
This research deals with the wave dispersion analysis of functionally graded double-layered nanobeam systems (FG-DNBSs) considering the piezoelectric effect based on nonlocal strain gradient theory. The nanobeam is modeled via Euler-Bernoulli beam theory. Material properties are considered to change gradually along the nanobeams' thickness on the basis of the rule of mixture. By implementing a Hamiltonian approach, the Euler-Lagrange equations of piezoelectric FG-DNBSs are obtained. Furthermore, applying an analytical solution, the dispersion relations of smart FG-DNBSs are derived by solving an eigenvalue problem. The effects of various parameters such as nonlocality, length scale parameter, interlayer stiffness, applied electric voltage, relative motions and gradient index on the wave dispersion characteristics of nanoscale beam have been investigated. Also, validity of reported results is proven in the framework of a diagram showing the convergence of this model's curve with that of a previous published attempt.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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