In this article, the critical buckling of a single-walled carbon nanotube (SWCNT) embedded in Kerr's medium is studied. Based on the nonlocal continuum theory and the Euler-Bernoulli beam model. The governing equilibrium equations are acquired and solved for CNTs subjected to mechanical loads and embedded in Kerr's medium. Kerr-type model is employed to simulate the interaction of the (SWNT) with a surrounding elastic medium. A first time, a comparison with the available results is made, and another comparison between various models Winkler-type, Pasternak-type and Kerr-type is studied. Effects of nonlocal parameter and aspect ratio of length to diameter of nanobeam, as well as the foundation parameters on buckling of CNT are investigated. These results are important in the mechanical design considerations of nanocomposites based on carbon nanotubes.
In the present paper, the influences of the variation of exponent of volume fraction of carbon nanotubes (CNTs) on the natural frequencies (NFs) of the carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) beams under four different boundary conditions (BCs) are investigated. The single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are assumed to be aligned and dispersed in a polymeric matrix with various reinforcing patterns, according to the variation of exponent of volume fraction of CNTs for functionally graded (FG) reinforcements. Besides, uniform distribution (UD) of reinforcement is also considered to analyze the influence of the non-linear (NL) variation of the reinforcement of CNTs. Using Hamilton's principle and third-order shear deformation theory (TSDT), the equations of motion of the CNTRC beam are derived. Under four different BCs, the resulting equations are solved analytically. To verify the present formulation, comparison investigations are conducted. To examine the impacts of several factors on the NFs of the CNTRC beams, numerical examples and some benchmark results are presented.
Eltaher, Mohamed A.;Almalki, Talaal A.;Ahmed, Khaled I.E.;Almitani, Khalid H.
Advances in nano research
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v.7
no.1
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pp.39-49
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2019
This paper focuses on two main objectives. The first one is to exploit an energy equivalent model and finite element method to evaluate the equivalent Young's modulus of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) at any orientation angle by using tensile test. The calculated Young's modulus is validated with published experimental results. The second target is to exploit the finite element simulation to investigate mechanical buckling and natural frequencies of SWCNTs. Energy equivalent model is presented to describe the atomic bonding interactions and their chemical energy with mechanical structural energies. A Program of Nanotube modeler is used to generate a geometry of SWCNTs structure by defining its chirality angle, overall length of nanotube and bond length between two adjacent nodes. SWCNTs are simulated as a frame like structure; the bonds between each two neighboring atoms are treated as isotropic beam members with a uniform circular cross section. Carbon bonds is simulated as a beam and the atoms as nodes. A finite element model using 3D beam elements is built under the environment of ANSYS MAPDL environment to simulate a tensile test and characterize equivalent Young's modulus of whole CNT structure. Numerical results are presented to show critical buckling loads, axial and transverse natural frequencies of SWCNTs with different orientation angles and lengths. The understanding of mechanical behaviors of CNTs are essential in developing such structures due to their great potential in wide range of engineering applications.
This paper deals with the free vibration behavior of rotating composite beams reinforced with carbon nanotubes (CNTs) under uniform thermal loads. The temperature-dependent beam material is assumed to be a mixture of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) in an isotropic matrix and five different functionally graded (FG) distributions of CNTs are considered according to the variation along the thickness, namely the UD-uniform, FG-O, FG-V, FG-Λ and FG-X distributions where FG-V and FG-Λ are unsymmetrical patterns. Considering the Timoshenko beam theory (TBT), a new finite element formulation of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FGCNTRC) beam is created for the first time. And the effects of several essential parameters including rotational speed, hub radius, effective material properties, slenderness ratio, boundary conditions, thermal force and moments due to temperature variation are considered in the formulation. By implementing different boundary conditions, some new results of both symmetric and non-symmetrical distribution patterns are presented in tables and figures to be used as benchmark for further validation. In addition, as an alternative advanced composite application for rotating systems exposed to thermal load, the positive effects of CNT addition in improving the dynamic performance of the system have been observed and the results are presented in several tables and figures.
We propose an evaluation method of the relative content of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) in SWCNT soot synthesized by arc discharge using UV-VIS-NIR absorption spectroscopy. In this method, we consider the absorbance of semiconducting and metallic SWCNTs together to calculate the relative content of SWCNTs with respect to a highly purified reference. Our method provides the more reliable and realistic evaluation of SWCNT content with respect to the whole carbonaceous content than the previously reported method.
This paper investigates the effect of linear and non-linear distribution of carbon nanotube volume fraction in the FG-CNTRC beams on the critical buckling by using higher-order shear deformation theories. Here, the material properties of the CNTRC beams are assumed to be graded in the thickness direction according to a new exponential power law distribution in terms of the carbon nanotube volume fractions. The single-walled carbon nanotube is aligned and distributed in the polymeric matrix with different patterns of reinforcement; the material properties of the CNTRC beams are described by using the rule of mixture. The governing equations are derived through using Hamilton's principle. The Navier solution method is used under the specified boundary conditions for simply supported CNTRC beams. The mathematical models provided in this work are numerically validated by comparison with some available results. New results of critical buckling with the non-linear distribution of CNT volume fraction in different patterns are presented and discussed in detail, and compared with the linear distribution. Several aspects of beam types, CNT volume fraction, exponent degree (n), aspect ratio, etc., are taken into this investigation. It is revealed that the influences of non-linearity distribution in the beam play an important role to improve the mechanical properties, especially in buckling behavior. The results show that the X-Beam configuration is the strongest among all different types of CNTRC beams in supporting the buckling loads.
In this paper, the effect of matrix cracks on the buckling of a hybrid laminated plate is investigated. The plate is composed of carbon nanotube reinforced functionally graded (CNTR-FG) layers and conventional fiber reinforced composite (FRC) layers. Different distributions of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) through the thickness of layers are considered. The cracks are modeled as aligned slit cracks across the ply thickness and transverse to the laminate plane, and the distribution of cracks is assumed statistically homogeneous corresponding to an average crack density. The first-order shear deformation theory (FSDT) is employed to incorporate the effects of rotary inertia and transverse shear deformation, and the meshless kp-Ritz method is used to obtain the buckling solutions. Detailed parametric studies are conducted to investigate the effects of matrix crack density, CNTs distributions, CNT volume fraction, plate aspect ratio and plate length-to-thickness ratio, boundary conditions and number of layers on buckling behaviors of hybrid laminated plates containing CNTR-FG layers.
In this work, a trigonometric refined beam theory for the bending, buckling and free vibration analysis of carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) beams resting on elastic foundation is developed. The significant feature of this model is that, in addition to including the shear deformation effect, it deals with only 3 unknowns as the Timoshenko beam (TBM) without including a shear correction factor. The single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are aligned and distributed in polymeric matrix with different patterns of reinforcement. The material properties of the CNTRC beams are assessed by employing the rule of mixture. To examine accuracy of the present theory, several comparison studies are investigated. Furthermore, the effects of different parameters of the beam on the bending, buckling and free vibration responses of CNTRC beam are discussed.
Kaci, Abdelhakim;Tounsi, Abdelouahed;Bakhti, Karima;Adda Bedia, El Abbas
Steel and Composite Structures
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v.12
no.6
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pp.491-504
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2012
In this paper, the nonlinear cylindrical bending of simply supported, functionally graded nanocomposite plates reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), is studied. The plates are subjected to uniform pressure loading in thermal environments and their geometric nonlinearity is introduced in the strain-displacement equations based on Von-Karman assumptions. The material properties of SWCNTs are assumed to be temperature-dependent and are obtained from molecular dynamics simulations. The material properties of functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTCRs) are assumed to be graded in the thickness direction, and are estimated through a micromechanical model. The governing equations are reduced to linear differential equation with nonlinear boundary conditions yielding a simple solution procedure. Numerical results are presented to show the effect of the material distribution on the deflections and stresses.
This present article represents the study of the forced vibration of nanobeam of a single-walled carbon nanotube (SWCNTs) surrounded by a polymer matrix. The modeling was done according to the Euler-Bernoulli beam model and with the application of the non-local continuum or elasticity theory. Particulars cases of the local elasticity theory have also been studied for comparison. This model takes into account the different effects of the interaction of the Winkler's type elastic medium with the nanobeam of carbon nanotubes. Then, a study of the influence of the amplitude distribution and the frequency was made by variation of some parameters such as (scale effect ($e_0{^a}$), the dimensional ratio or aspect ratio (L/d), also, bound to the mode number (N) and the effect of the stiffness of elastic medium ($K_w$). The results obtained indicate the dependence of the variation of the amplitude and the frequency with the different parameters of the model, besides they prove the local effect of the stresses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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