In this work, transient thermo-piezo-elastic responses of an infinite functionally graded piezoelectric (FGPE) plate whose upper surface suffers time-dependent thermal shock are investigated in the context of different thermo-piezo-elastic theories. The thermal and mechanical properties of functionally graded piezoelectric plate under consideration are expressed as power functions of plate thickness variable. The solution of problem is obtained by solving the corresponding finite element governing equations in time domain directly. Transient thermo-piezo-elastic responses of the FGPE plate, including temperature, stress, displacement, electric intensity and electric potential are presented graphically and analyzed carefully to show multi-field coupling behaviors between them. In addition, the effects of functionally graded parameters on transient thermo-piezo-elastic responses are also investigated to provide a theoretical basis for the application of the FGPE materials.
In this work, the analytical solution for the stresses in piezo-thermo-elastic homogeneous, transversely isotropic material under the effect of the rotation has investigated. The thermoelasticity theory has used to study the problem. The material subjected to boundary conditions. Finally, the numerical solution has carried out piezo - thermo-elastic material under the effect of rotation, to illustrate the analytical development. The corresponding simulated results of various physical quantities such as the displacements and the stresses, the temperature and the electrical displacement have presented graphically.
The present paper deals with the application of one dimensional piezoelectric materials in particular piezo-thermoelastic nanobeam. The generalized piezo-thermo-elastic theory with two temperature and Euler Bernoulli theory with small scale effects using nonlocal Eringen's theory have been used to form the mathematical model. The ends of nanobeam are considered to be simply supported and at a constant temperature. The mathematical model so formed is solved to obtain the non-dimensional expressions for lateral deflection, electric potential, thermal moment, thermoelastic damping and frequency shift. Effect of frequency and nonlocal parameter on the lateral deflection, electric potential, thermal moment with generalized piezothermoelastic theory are represented graphically using the MATLAB software. Comparisons are made with the different theories of thermoelasticity.
By employing a quasi-3D plate formulation, the present research studies static stability of magneto-electro-thermo-elastic functional grading (METE-FG) nano-sized plates. Accordingly, influences of shear deformations as well as thickness stretching have been incorporated. The gradation of piezo-magnetic and elastic properties of the nano-sized plate have been described based on power-law functions. The size-dependent formulation for the nano-sized plate is provided in the context of nonlocal elasticity theory. The governing equations are established with the usage of Hamilton's rule and then analytically solved for diverse magnetic-electric intensities. Obtained findings demonstrate that buckling behavior of considered nanoplate relies on the variation of material exponent, electro-magnetic field, nonlocal coefficient and boundary conditions.
The present paper develops piezo-thermo-elastic analysis of a thick spherical shell for generalized functionally graded piezoelectric material. The assumed structure is loaded under thermal, electrical and mechanical loads. The mechanical, thermal and electrical properties are graded along the radial direction based on a power function with three different non homogenous indexes. Primarily, the non homogenous heat transfer equation is solved by applying the general boundary conditions, individually. Substitution of stress, strain, electrical displacement and material properties in equilibrium and Maxwell equations present two non homogenous differential equation of order two. The main objective of the present study is to improve the relations between mechanical and electrical loads in hollow spherical shells especially for functionally graded piezoelectric materials. The obtained results can evaluate the effect of every non homogenous parameter on the mechanical and electrical components.
Asrari, Reza;Ebrahimi, Farzad;Kheirikhah, Mohammad Mahdi
Structural Engineering and Mechanics
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v.75
no.6
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pp.659-674
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2020
The present paper employs nonlocal strain gradient theory (NSGT) to study buckling behavior of functionally graded magneto-electro-thermo-elastic (FG-METE) nanoshells under various physical fields. NSGT modeling of the nanoshell contains two size parameters, one related to nonlocal stress field and another related to strain gradients. It is considered that mechanical, thermal, electrical and magnetic loads are exerted to the nanoshell. Temperature field has uniform and linear variation in nanoshell thickness. According to a power-law function, piezo-magnetic, thermal and mechanical properties of the nanoshell are considered to be graded in thickness direction. Five coupled governing equations have been obtained by using Hamilton's principle and then solved implementing Galerkin's method. Influences of temperature field, electric voltage, magnetic potential, nonlocality, strain gradient parameter and FG material exponent on buckling loads of the FG-METE nanoshell have been studied in detail.
A matrix method for evaluating effective electro-magneto-thermo-elastic properties of a generally anisotropic multilayered composite is presented. Physical variables are categorized into two groups: one that satisfies the continuity across the interface between layers and another that satisfies an average inter-layer compatibility (which is also exact). The coupled electro-magneto-thermo-elastic constitutive equation is accordingly reassembled into submatrices, which leads to the derivation of concise and exact matrix expressions for effective properties of a multilayered composite having the coupled physical effects. Comparing the results for a purely elastic multiplayer with those from other theoretical approaches validates the developed method. Examples are given for a PZT-graphite/epoxy composite and a $BaTiO_3-CoFe_2O_4$ multiplayer which exhibit piezo-thermoelastic and magnetoelectric properties, respectively. The result shows how a strong magnetoelectric effect can be achieved by combining piezoelectric and piezomagnetic materials in a multilayered structure. The magnetoelectric coefficient of the $BaTiO_3-CoFe_2O_4$ multiplayer is compared with those for fibrous and particulate composites fabricated with the same constituents.
In this paper, analysis of thermal post-buckling behaviors of sandwich nanobeams with two layers of multi-phase magneto-electro-thermo-elastic (METE) composites have been presented considering geometric imperfection effects. Multi-phase METE material is composed form piezoelectric and piezo-magnetic constituents for which the material properties can be controlled based on the percentages of the constituents. Nonlinear governing equations of sandwich nanobeam are derived based on nonlocal elasticity theory together with classic thin beam model and an analytical solution is provided. It will be shown that post-buckling behaviors of sandwich nanobeam in thermo-electro-magnetic field depend on the constituent's percentages. Buckling temperature of sandwich nanobeam is also affected by nonlocal scale factor, magnetic field intensity and electrical voltage.
Ebrahimi, Farzad;Hosseini, S. Hamed S.;Selvamani, Rajendran
Structural Engineering and Mechanics
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v.73
no.5
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pp.565-584
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2020
The nonlinear thermo-electro-elastic buckling behavior of viscoelastic nanoplates under magnetic field is investigated based on nonlocal elasticity theory. Employing nonlinear strain-displacement relations, the geometrical nonlinearity is modeled while governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi-analytical generalized differential quadrature (GDQ) method. Eringen's nonlocal elasticity theory considers the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nano-sensors and nano actuators. Based on Kelvin-Voigt model, the influence of the viscoelastic coefficient is also discussed. It is demonstrated that the GDQ method has high precision and computational efficiency in the buckling analysis of viscoelastic nanoplates. 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 electric voltage, small scale effects, elastomeric medium, magnetic field, temperature effects, the viscidity and aspect ratio of the nanoplate on its nonlinear buckling characteristics. It is explicitly shown that the thermo-electro-elastic nonlinear buckling behavior of viscoelastic nanoplates is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of viscoelastic nanoplates as fundamental elements in nanoelectromechanical systems.
Moreno-Navarro, Pablo;Ibrahimbegovic, Adnan;Perez-Aparicio, Jose L.
Coupled systems mechanics
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v.7
no.1
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pp.5-25
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2018
A fully-coupled thermodynamic-based transient finite element formulation is proposed in this article for electric, magnetic, thermal and mechanic fields interactions limited to the linear case. The governing equations are obtained from conservation principles for both electric and magnetic flux, momentum and energy. A full-interaction among different fields is defined through Helmholtz free-energy potential, which provides that the constitutive equations for corresponding dual variables can be derived consistently. Although the behavior of the material is linear, the coupled interactions with the other fields are not considered limited to the linear case. The implementation is carried out in a research version of the research computer code FEAP by using 8-node isoparametric 3D solid elements. A range of numerical examples are run with the proposed element, from the relatively simple cases of piezoelectric, piezomagnetic, thermoelastic to more complicated combined coupled cases such as piezo-pyro-electric, or piezo-electro-magnetic. In this paper, some of those interactions are illustrated and discussed for a simple geometry.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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