In this research, bending analysis of a micro sandwich skew plate with isotropic core and piezoelectric composite face sheets reinforced by carbon nanotube on the elastic foundations are studied. The classical plate theory (CPT) are used to model micro sandwich skew plate and to apply size dependent effects based on modified strain gradient theory. Eshelby-Mori-Tanaka approach is considered for the effective mechanical properties of the nanocomposite face sheets. The governing equations of equilibrium are derived using minimum principle of total potential energy and then solved by extended Kantorovich method (EKM). The effects of width to thickness ratio and length to width of the sandwich plate, core-to-face sheet thickness ratio, the material length scale parameters, volume fraction of CNT, the angle of skew plate, different boundary conditions and types of cores on the deflection of micro sandwich skew plate are investigated. One of the most important results is the reduction of the deflection by increasing the angle of the micro sandwich skew plate and decreasing the deflection by decreasing the thickness of the structural core. The results of this research can be used in modern construction in the form of reinforced slabs or stiffened plates and also used in construction of bridges, the wing of airplane.
Arefi, Mohammad;Pourjamshidian, Mahmoud;Arani, Ali Ghorbanpour
Steel and Composite Structures
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제32권2호
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pp.157-171
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2019
In this research, the dynamic instability region (DIR) of the sandwich nano-beams are investigated based on nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) and various higher order shear deformation beam theories (HSDBTs). The sandwich piezoelectric nano-beam is including a homogenous core and face-sheets reinforced with functionally graded (FG) carbon nanotubes (CNTs). In present study, three patterns of CNTs are employed in order to reinforce the top and bottom face-sheets of the beam. In addition, different higher-order shear deformation beam theories such as trigonometric shear deformation beam theory (TSDBT), exponential shear deformation beam theory (ESDBT), hyperbolic shear deformation beam theory (HSDBT), and Aydogdu shear deformation beam theory (ASDBT) are considered to extract the governing equations for different boundary conditions. The beam is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Visco-Pasternak foundation. Hamilton principle is used to derive the governing equations of motion based on various shear deformation theories. In order to analysis of the dynamic instability behaviors, the linear governing equations of motion are solved using differential quadrature method (DQM). After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various shear deformation theories, nonlocal parameter, strain gradient parameter, the volume fraction of the CNTs, various distributions of the CNTs, different boundary conditions, dimensionless geometric parameters, Visco-Pasternak foundation parameters, applied voltage and temperature change on the dynamic instability characteristics of sandwich piezoelectric nano-beam.
Ali Alnujaie;Alaa A. Abdelrahman;Abdulrahman M. Alanasari;Mohamed A. Eltaher
Steel and Composite Structures
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제49권4호
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pp.361-380
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2023
A size dependent bending behavior of piezoelectrical flexoelectric layered perforated functionally graded (FG) composite nanobeam rested on an elastic foundation is investigated analytically. The composite beam is composed of regularly cutout FG core and two piezoelectric face sheets. The material characteristics is graded through the core thickness by power law function. Regular squared cutout perforation pattern is considered and closed forms of the equivalent stiffness parameters are derived. The modified nonlocal strain gradient elasticity theory is employed to incorporate the microstructure as well as nonlocality effects into governing equations. The Winkler as well as the Pasternak elastic foundation models are employed to simulate the substrate medium. The Hamiltonian approach is adopted to derive the governing equilibrium equation including piezoelectric and flexoelectric effects. Analytical solution methodology is developed to derive closed forms for the size dependent electromechanical as well as mechanical bending profiles. The model is verified by comparing the obtained results with the available corresponding results in the literature. To demonstrate the applicability of the developed procedure, parametric studies are performed to explore influences of gradation index, elastic medium parameters, flexoelectric and piezoelectric parameters, geometrical and peroration parameters, and material parameters on the size dependent bending behavior of piezoelectrically layered PFG nanobeams. Results obtained revealed the significant effects both the flexoelectric and piezoelectric parameters on the bending behavior of the piezoelectric composite nanobeams. These parameters could be controlled to improve the size dependent electromechanical as well as mechanical behaviors. The obtained results and the developed procedure are helpful for design and manufacturing of MEMS and NEMS.
In the present work, the buckling analysis of micro sandwich plate with an isotropic/orthotropic cores and piezoelectric/polymeric nanocomposite face sheets is studied. In this research, two cases for core of micro sandwich plate is considered that involve five isotropic Devineycell materials (H30, H45, H60, H100 and H200) and an orthotropic material also two cases for facesheets of micro sandwich plate is illustrated that include piezoelectric layers reinforced by carbon and boron-nitride nanotubes and polymeric matrix reinforced by carbon nanotubes under temperature-dependent and hydro material properties on the elastic foundations. The first order shear deformation theory (FSDT) is adopted to model micro sandwich plate and to apply size dependent effects from modified strain gradient theory. The governing equations are derived using the minimum total potential energy principle and then solved by analytical method. Also, the effects of different parameters such as size dependent, side ratio, volume fraction, various material properties for cores and facesheets and temperature and humidity changes on the dimensionless critical buckling load are investigated. It is shown from the results that the dimensionless critical buckling load for boron nitride nanotube is lower than that of for carbon nanotube. It is illustrated that the dimensionless critical buckling load for Devineycell H200 is highest and lowest for H30. Also, the obtained results for micro sandwich plate with piezoelectric facesheets reinforced by carbon nanotubes (case b) is higher than other states (cases a and c).The results of this research can be used in aircraft, automotive, shipbuilding industries and biomedicine.
Arefi, Mohammad;Bidgoli, Elyas Mohammad-Rezaei;Zenkour, Ashraf M.
Smart Structures and Systems
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제22권1호
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pp.27-40
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2018
The governing equations of motion are derived for analysis of a sandwich microbeam in this paper. The sandwich microbeam is including an elastic micro-core and two piezoelectric micro-face-sheets. The microbeam is subjected to transverse loads and two-dimensional electric potential. Higher-order sinusoidal shear deformation beam theory is used for description of displacement field. To account size dependency in governing equations of motion, strain gradient theory is used to mention higher-order stress and strains. An analytical approach for simply-supported sandwich microbeam with short-circuited electric potential is proposed. The numerical results indicate that various types of parameters such as foundation and material length scales have significant effects on the free vibration responses and dynamic results. Investigation on the influence of material length scales indicates that increase of both dimensionless material length scale parameters leads to significant changes of vibration and dynamic responses of microbeam.
In this paper, free vibration of Cooper-Naghdi micro sandwich cylindrical shell with saturated porous core and reinforced carbon nanotube (CNT) piezoelectric composite face sheets is investigated by using first order shear deformation theory (FSDT) and modified couple stress theory (MCST). The sandwich shell is subjected to magneto-thermo-mechanical loadings with temperature dependent material properties. Energy method and Hamilton's principle are used for deriving of the motion equations. The equations are solved by Navier's method. The results are compared with the obtained results by the other literatures. The effects of various parameters such as saturated porous distribution, geometry parameters, volume fraction and temperature change on the natural frequency of the micro-sandwich cylindrical shell are addressed. The obtained results reveal that the natural frequency of the micro sandwich cylindrical shell increases with increasing of the radius to thickness ratio, Skempton coefficient, the porosity of the core, and decreasing of the length to radius ratio and temperature change.
Critical multi-field loads and free vibration responses of the sandwich piezoelectric/piezomagnetic microplate subjected to combination of magnetoelectromechanical loads based on a thickness-stretched higher order shear deformable model using Hamilton's principle. The lateral displacement is assumed summation of bending, shearing and stretching functions. The elasti core is sandwiched by a couple of piezoelectric/piezomagnetic face-sheets subjected to electromagnetocmechanical loads. The work of external force is calculated with considering the in-plane mechanical, electrical and magnetic loads based on piezomagnetoelasticity relations. The critical multi field loading and natural frequency analysis are performed to investigate influence of geometric and loading parameters on the responses. A verification is performed for justification of the numerical results.
Arani, Ali Ghorbanpour;Navi, Borhan Rousta;Mohammadimehr, Mehdi
Steel and Composite Structures
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제41권6호
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pp.805-820
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2021
In this research, the buckling and free vibration of three-phase carbon nanotubes/ fiber/ polymer piezoelectric nanocomposite face sheet sandwich microbeam with microsensor and micro-actuator surrounded in elastic foundation based on modified couple stress theory (MCST) is investigated. Three types of porous materials are considered for sandwich core. Higher order (Reddy) and sinusoidal shear deformation beam theories are employed for the displacement fields. Sinusoidal surface stress effects are extracted for sinusoidal shear deformation beam theory. The equations of motion are derived by Hamilton's principle and then the natural frequency and critical buckling load are obtained by Navier's type solution. The determined results are in good agreement with other literatures. The detailed numerical investigation for various parameters is performed for this microsensor-microactuator. The results reveal that the microsensor-microactuator enhanced by increasing of Skempton coefficient, carbon nanotubes diameter length to thickness ratio, small scale factor, elastic foundation, surface stress constants and reduction in porous coefficient, micro-actuator voltage and CNT weight fraction. The valuable results can be expedient for micro-electro-mechanical (MEMS) and nano-electro-mechanical (NEMS) systems.
Effects of viscoelastic foundation on vibration of curved-beam structure with clamped and simply-supported boundary conditions is investigated in this study. In doing so, a micro-scale laminate composite beam with two piezoelectric face layer with a carbon nanotube reinforces composite core is considered. The whole beam structure is laid on a viscoelastic substrate which normally occurred in actual conditions. Due to small scale of the structure non-classical elasticity theory provided more accurate results. Therefore, nonlocal strain gradient theory is employed here to capture both nano-scale effects on carbon nanotubes and microscale effects because of overall scale of the structure. Equivalent homogenous properties of the composite core is obtained using Halpin-Tsai equation. The equations of motion is derived considering energy terms of the beam and variational principle in minimizing total energy. The boundary condition is assumed to be clamped at one end and simply supported at the other end. Due to nonlinear terms in the equations of motion, semi-analytical method of general differential quadrature method is engaged to solve the equations. In addition, due to complexity in developing and solving equations of motion of arches, an artificial neural network is design and implemented to capture effects of different parameters on the inplane vibration of sandwich arches. At the end, effects of several parameters including nonlocal and gradient parameters, geometrical aspect ratios and substrate constants of the structure on the natural frequency and amplitude is derived. It is observed that increasing nonlocal and gradient parameters have contradictory effects of the amplitude and frequency of vibration of the laminate beam.
Arani, Ali Ghorbanpour;Maraghi, Zahra Khoddami;Ferasatmanesh, Maryam
Structural Engineering and Mechanics
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제63권1호
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pp.65-76
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2017
This research investigated the vibration frequency of sandwich plate made of piezoelectric fiber reinforced composite core (PFRC) and face sheets of piezomagnetic materials. The effective electroelastic constants for PFRC materials are obtained by the micromechanical approach. The resting medium of sandwich plate is modeled by Pasternak foundation including normal and shear modulus. Besides, sandwich plate is subjected to linearly varying normal stresses that change by load factor. The coupled equations of motion are derived using first order shear deformation theory (FSDT) and energy method. These equations are solved by differential quadrature method (DQM) for simply supported boundary condition. A detailed numerical study is carried out based on piezoelectricity theory to indicate the significant effect of load factor, volume fraction of fibers, modulus of elastic foundation, core-to-face sheet thickness ratio and composite materials on dimensionless frequency of sandwich plate. These findings can be used to aerospace, building and automotive industries.
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