Almitani, Khalid H.;Abdelrahman, Alaa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.35
no.4
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pp.555-566
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2020
This paper aims to present an analytical methodology to investigate influences of nanoscale and surface energy on buckling stability behavior of perforated nanobeam structural element, for the first time. The surface energy effect is exploited to consider the free energy on the surface of nanobeam by using Gurtin-Murdoch surface elasticity theory. Thin and thick beams are considered by using both classical beam of Euler and first order shear deformation of Timoshenko theories, respectively. Equivalent geometrical constant of regularly squared perforated beam are presented in simplified form. Problem formulation of nanostructure beam including surface energies is derived in detail. Explicit analytical solution for nanoscale beams are developed for both beam theories to evaluate the surface stress effects and size-dependent nanoscale on the critical buckling loads. The closed form solution is confirmed and proven by comparing the obtained results with previous works. Parametric studies are achieved to demonstrate impacts of beam filling ratio, the number of hole rows, surface material characteristics, beam slenderness ratio, boundary conditions as well as loading conditions on the non-classical buckling of perforated nanobeams in incidence of surface effects. It is found that, the surface residual stress has more significant effect on the critical buckling loads with the corresponding effect of the surface elasticity. The proposed model can be used as benchmarks in designing, analysis and manufacturing of perforated nanobeams.
Alazwari, Mashhour A.;Eltaher, Mohamed A.;Abdelrahman, Alaa A.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.6
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pp.707-723
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2022
This article aims to investigate the size dependent bending behavior of perforated nanobeams incorporating the nonlocal and the microstructure effects based on the nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET). Shear deformation effect due to cutout process is studied by using Timoshenko beams theory. Closed formulas for the equivalent geometrical characteristics of regularly squared cutout shape are derived. The governing equations of motion considering the nonlocal and microstructure effects are derived in comprehensive procedure and nonclassical boundary conditions are presented. Analytical solution for the governing equations of motion is derived. The derived non-classical analytical solutions are verified by comparing the obtained results with the available results in the literature and good agreement is observed. Numerical results are obtained and discussed. Parametric studies are conducted to explore effects of perforation characteristics, the nonclassical material parameters, beam slenderness ratio as well as the boundary and loading conditions on the non-classical transverse bending behavior of cutout nanobeams. Results obtained are supportive for the design, analysis and manufacturing of such nanosized structural system.
Chaht, Fouzia Larbi;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Beg, O. Anwar;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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v.18
no.2
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pp.425-442
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2015
This paper addresses theoretically the bending and buckling behaviors of size-dependent nanobeams made of functionally graded materials (FGMs) including the thickness stretching effect. The size-dependent FGM nanobeam is investigated on the basis of the nonlocal continuum model. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present model incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a sinusoidal variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FGM nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The governing equations and the related boundary conditions are derived using the principal of minimum total potential energy. A Navier-type solution is developed for simply-supported boundary conditions, and exact expressions are proposed for the deflections and the buckling load. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and stability responses of the FGM nanobeam are discussed in detail. The study is relevant to nanotechnology deployment in for example aircraft structures.
In this paper, various nonlocal higher-order shear deformation beam theories that consider the size dependent effects in Functionally Graded Material (FGM) beam are examined. The presented theories fulfill the zero traction boundary conditions on the top and bottom surface of the beam and a shear correction factor is not required. Hamilton's principle is used to derive equation of motion as well as related boundary condition. The Navier solution is applied to solve the simply supported boundary conditions and exact formulas are proposed for the bending and static buckling. A parametric study is also included to investigate the effect of gradient index, length scale parameter and length-to-thickness ratio (aspect ratio) on the bending and the static buckling characteristics of FG nanobeams.
In this article, an analytic non-classical model for the free vibrations of nanobeams accounting for surface stress effects is developed. The classical continuum mechanics fails to capture the surface energy effects and hence is not directly applicable at nanoscale. A general beam model based on Gurtin-Murdoch continuum surface elasticity theory is developed for the analysis of thin and thick beams. Thus, surface energy has a significant effect on the response of nanoscale structures, and is associated with their size-dependent behavior. To check the validity of the present analytic solution, the numerical results are compared with those obtained in the scientific literature. The influences of beam thickness, surface density, surface residual stress and surface elastic constants on the natural frequencies of nanobeams are also investigated. It is indicated that the effect of surface stress on the vibrational response of a nanobeam is dependent on its aspect ratio and thickness.
Ebrahimi, Farzad;Barati, Mohammad Reza;Zenkour, Ashraf M.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.18
no.2
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pp.255-269
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2017
Free vibration analysis is presented for a simply-supported, functionally graded piezoelectric (FGP) nanobeam embedded on elastic foundation in the framework of third order parabolic shear deformation beam theory. Effective electro-mechanical properties of FGP nanobeam are supposed to be variable throughout the thickness based on power-law model. To incorporate the small size effects into the local model, Eringen's nonlocal elasticity theory is adopted. Analytical solution is implemented to solve the size-dependent buckling analysis of FGP nanobeams based upon a higher order shear deformation beam theory where coupled equations obtained using Hamilton's principle exist for such beams. Some numerical results for natural frequencies of the FGP nanobeams are prepared, which include the influences of elastic coefficients of foundation, electric voltage, material and geometrical parameters and mode number. This study is motivated by the absence of articles in the technical literature and provides beneficial results for accurate FGP structures design.
Bouafia, Khadra;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Benzair, Abdelnour;Tounsi, Abdelouahed
Smart Structures and Systems
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v.19
no.2
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pp.115-126
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2017
In this paper, size dependent bending and free flexural vibration behaviors of functionally graded (FG) nanobeams are investigated using a nonlocal quasi-3D theory in which both shear deformation and thickness stretching effects are introduced. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present theory incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a hyperbolic variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FG nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The neutral surface position for such FG nanobeams is determined and the present theory based on exact neutral surface position is employed here. The governing equations are derived using the principal of minimum total potential energy. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and dynamic responses of the FG nanobeam are discussed in detail. A detailed numerical study is carried out to examine the effect of material gradient index, the nonlocal parameter, the beam aspect ratio on the global response of the FG nanobeam. These findings are important in mechanical design considerations of devices that use carbon nanotubes.
Thermal bifurcation buckling behavior of fully clamped Euler-Bernoulli nanobeam built of a through thickness functionally graded material is explored for the first time in the present paper. The variation of material properties of the FG nanobeam are graded along the thickness by a power-law form. Temperature dependency of the material constituents is also taken into consideration. Eringen's nonlocal elasticity model is employed to define the small-scale effects and long-range connections between the particles. The stability equations of the thermally induced FG nanobeam are derived via the principal of the minimum total potential energy and solved analytically for clamped boundary conditions, which lead for more accurate results. Moreover, the obtained buckling loads of FG nanobeam are validated with those existing works. Parametric studies are performed to examine the influences of various parameters such as power-law exponent, small scale effects and beam thickness on the critical thermal buckling load of the temperature-dependent FG nanobeams.
Some researchers pointed out that the nonlocal cantilever models do not predict the dynamic softening behavior for nanostructures (including nanobeams) with clamped-free (CF) ends. In contrast, some indicate that the nonlocal cantilever models can capture the stiffness softening characteristics. There are substantial differences on this issue between them. The vibration analysis of porosity-dependent functionally graded nanoscale tubes with variable boundary conditions is investigated in this study. Using a modified power-law model, the tube's porosity-dependent material coefficients are graded in the radial direction. The theory of nonlocal strain gradients is used. Hamilton's principle is used to derive the size-dependent governing equations for simply-supported (S), clamped (C) and clamped-simply supported (CS). Following the solution of these equations by the extended differential quadrature technique, the effect of various factors on vibration issues was investigated further. It can be shown that these factors have a considerable effect on the vibration characteristics. It also can be found that our numerical results can capture the unexpected softening phenomena for cantilever tubes.
In the present article, wave dispersion behavior of a temperature-dependent functionally graded (FG) nanobeam undergoing rotation subjected to thermal loading is investigated according to nonlocal strain gradient theory, in which the stress numerates for both nonlocal stress field and the strain gradient stress field. The small size effects are taken into account by using the nonlocal strain gradient theory which contains two scale parameters. Mori-Tanaka distribution model is considered to express the gradually variation of material properties across the thickness. The governing equations are derived as a function of axial force due to centrifugal stiffening and displacements by applying Hamilton's principle according to Euler-Bernoulli beam theory. By applying an analytical solution, the dispersion relations of rotating FG nanobeam are obtained by solving an eigenvalue problem. Obviously, numerical results indicate that various parameters such as angular velocity, gradient index, temperature change, wave number and nonlocality parameter have significant influences on the wave characteristics of rotating FG nanobeams. Hence, the results of this research can provide useful information for the next generation studies and accurate deigns of nanomachines including nanoscale molecular bearings and nanogears, etc.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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