In the present study, for first time the size dependent vibration behavior of a rotating functionally graded (FG) Timoshenko nanobeam based on Eringen's nonlocal theory is investigated. It is assumed that the physical and mechanical properties of the FG nanobeam are varying along the thickness based on a power law equation. The governing equations are determined using Hamilton's principle and the generalized differential quadrature method (GDQM) is used to obtain the results for cantilever boundary conditions. The accuracy and validity of the results are shown through several numerical examples. In order to display the influence of size effect on first three natural frequencies due to change of some important nanobeam parameters such as material length scale, angular velocity and gradient index of FG material, several diagrams and tables are presented. The results of this article can be used in designing and optimizing elastic and rotary type nano-electro-mechanical systems (NEMS) like nano-motors and nano-robots including rotating parts.
Muhammad, Ahmed K.;Hamad, Luay Badr;Fenjan, Raad M.;Faleh, Nadhim M.
Advances in materials Research
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v.8
no.3
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pp.237-257
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2019
The present article researches large-amplitude thermal free vibration characteristics of nonlocal two-phase piezo-magnetic nano-size beams having geometric imperfections by considering piezoelectric reinforcement scheme. The piezoelectric reinforcement can cause an enhanced vibration behavior of smart nanobeams under magnetic field. All previous studies on vibrations of piezoelectric-magnetic nano-size beams ignore the influences of geometric imperfections which are crucial since a nanobeam is not always ideal or perfect. Nonlinear governing equations of a smart nanobeam are derived based on classical beam theory and an analytical trend is provided to obtain nonlinear vibration frequency. This research shows that changing the volume fraction of piezoelectric phase in the material has a great influence on vibration behavior of smart nanobeam under electric and magnetic fields. Also, it can be seen that nonlinear vibration behaviors of smart nanobeam is dependent on the magnitude of exerted electric voltage, magnetic imperfection amplitude and substrate constants.
This paper presents a free vibration analysis of size-dependent functionally graded (FG) nanobeams with all surface effects considerations on the basis of modified couple stress theory. The material properties of FG nanobeam are assumed to vary according to power law distribution. Based on the Euler-Bernoulli beam theory, the modeled nanobeam and its equations of motion are derived using Hamilton's principle. An analytical method is used to discretize the model and the equation of motion. The model is validated by comparing the benchmark results with the obtained results. Results show that the vibration behavior of a nanobeam is significantly influenced by surface density, surface tension and surface elasticity. Also, it is shown that by increasing the beam size, influence of surface effect reduces to zero, and the natural frequency tends to its classical value.
Size-dependent free vibration responses and magneto-electro-elastic bending results of a three layers piezomagnetic curved beam rest on Pasternak's foundation are presented in this paper. The governing equations of motion are derived based on first-order shear deformation theory and nonlocal piezo-elasticity theory. The curved beam is containing a nanocore and two piezomagnetic face-sheets. The piezomagnetic layers are imposed to applied electric and magnetic potentials and transverse uniform loadings. The analytical results are presented for simply-supported curved beam to study influence of some parameters on vibration and bending results. The important parameters are spring and shear parameters of foundation, applied electric and magnetic potentials, nonlocal parameter and radius of curvature of curved beam. It is concluded that the increase in radius of curvature tends to an increase in the stiffness of curved beam and consequently natural frequencies increase and bending results decrease. In addition, it is concluded that with increase of nonlocal parameter of curved beam, the stiffness of structure is decreased that leads to decrease of natural frequency and increase of bending results.
In this paper, the problem of static bending of axially functionally graded (AFG) nanobeam is formulated with the local stress(Lσ)- and strain-driven(εD) two-phase local/nonlocal integral models (TPNIMs). The novelty of the present study aims to compare the size-effects of nonlocal integral models on bending deflections of AFG Euler-Bernoulli nano-beams. The integral relation between strain and nonlocal stress components based on two types nonlocal integral models is transformed unitedly and equivalently into differential form with constitutive boundary conditions. Purely LσD- and εD-NIMs would lead to ill-posed mathematical formulation, and Purely εD- and LσD-nonlocal differential models (NDM) may result in inconsistent size-dependent bending responses. The general differential quadrature method is applied to obtain the numerical results for bending deflection and moment of AFG nanobeam subjected to different boundary and loading conditions. The influence of AFG index, nonlocal models, and nonlocal parameters on the bending deflections of AFG Euler-Bernoulli nanobeams is investigated numerically. A consistent softening effects can be obtained for both LσD- and εD-TPNIMs. The results from current work may provide useful guidelines for designing and optimizing AFG Euler-Bernoulli beam based nano instruments.
In this paper, the forced resonance vibration of porous functionally graded (FG) curved nanobeam is examined. In order to capture the hardening and softening mechanisms of nanostructure, the nonlocal strain gradient theory is employed to build the size-dependent model. Using the Timoshenko beam theory together with the Hamilton principle, the equations of motion for the curved nanobeam are derived. Then, Navier series are used in order to obtain the dynamical deflections of the porous FG curved nanobeam with simply-supported ends. It is found that the resonance position of the nanobeam is very sensitive to the nonlocal and strain gradient parameters, material variation, porosity coefficient, as well as geometrical conditions. The results indicate that the resonance position is postponed by increasing the strain gradient parameter, while the nonlocal parameter has the opposite effect on the results. Furthermore, increasing the opening angle or length-to-thickness ratio will result in resonance position moves to lower-load frequency.
Hamed, Mostafa A.;Sadoun, Ayman M.;Eltaher, Mohamed A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.71
no.1
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pp.89-98
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2019
In this study, the mechanical bending behaviors of functionally graded porous nanobeams are investigated. Four types of porosity which are, the classical power porosity function, the symmetric with mid-plane cosine function, bottom surface distribution and top surface distribution are proposed in analysis of nanobeam for the first time. A comparison between four types of porosity are illustrated. The effect of nano-scale is described by the differential nonlocal continuum theory of Eringen by adding the length scale into the constitutive equations as a material parameter comprising information about nanoscopic forces and its interactions. The graded material is designated by a power function through the thickness of nanobeam. The beam is simply-supported and is assumed to be thin, and hence, the kinematic assumptions of Euler-Bernoulli beam theory are held. The mathematical model is solved numerically using the finite element method. Numerical results show effects of porosity type, material graduation, and nanoscale parameters on the static deflection of nanobeam.
Al-Maliki, Ammar F.H.;Faleh, Nadhim M.;Alasadi, Abbas A.
Structural Monitoring and Maintenance
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v.6
no.2
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pp.147-159
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2019
In present article, a size-dependent refined thick beam element has been established based upon nonlocal elasticity theory. Next, it is used to explore vibration response of porous metal foam nanobeams on elastic medium. The established beam element introduces ten degrees of freedom. Different porosity distributions called uniform, symmetric and asymmetric will be employed. Herein, introduced thick beam element contains shear deformations without using correction factors. Convergence and verification studies of obtained results from finite element method are also provided. The impacts of nonlocality factor, foundation factors, shear deformation, slenderness ratio, porosity kinds and porosity factor on vibration frequencies of metal foam nano-sized beams have been explored.
Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bessaim, Aicha;Bernard, Fabrice;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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v.28
no.1
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pp.13-24
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2018
A size-dependent novel hyperbolic shear deformation theory of simply supported functionally graded beams is presented in the frame work of the non-local strain gradient theory, in which the stress accounts for only the nonlocal strain gradients stress field. The thickness stretching effect (${\varepsilon}_z{\neq}0$) is also considered here. Elastic coefficients and length scale parameter are assumed to vary in the thickness direction of functionally graded beams according to power-law form. The governing equations are derived using the Hamilton principle. The closed-form solutions for exact critical buckling loads of nonlocal strain gradient functionally graded beams are obtained using Navier's method. The derived results are compared with those of strain gradient theory.
We in this article study nonlinear thermal buckling of bi-directional functionally graded beams in the theoretical frameworks of nonlocal strain graded theory. To begin with, it is assumed that the effective material properties of beams vary continuously in both the thickness and width directions. Then, we utilize a higher-order shear deformation theory that includes a physical neutral surface to derive the size-dependent governing equations combining with the Hamilton's principle and the von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ geometric nonlinearity. It should be pointed out that the established model, containing a nonlocal parameter and a strain gradient length scale parameter, can availably account for both the influence of nonlocal elastic stress field and the influence of strain gradient stress field. Subsequently, via using a easier group of initial asymptotic solutions, the corresponding analytical solution of thermal buckling of beams is obtained with the help of perturbation method. Finally, a parametric study is carried out in detail after validating the present analysis, especially for the effects of a nonlocal parameter, a strain gradient length scale parameter and the ratio of the two on the critical thermal buckling temperature of beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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