This article studies the free and forced vibrations of the carbon nanotubes CNTs embedded in an elastic medium including thermal and dynamic load effects based on nonlocal Euler-Bernoulli beam. A Winkler type elastic foundation is employed to model the interaction of carbon nanotube and the surrounding elastic medium. Influence of all parameters such as nonlocal small-scale effects, high temperature change, Winkler modulus parameter, vibration mode and aspect ratio of short carbon nanotubes on the vibration frequency are analyzed and discussed. The non-local Euler-Bernoulli beam model predicts lower resonance frequencies. The research work reveals the significance of the small-scale coefficient, the vibrational mode number, the elastic medium and the temperature change on the non-dimensional natural frequency.
The bi-material elastic system consisting of the circular hollow cylinder and the infinite elastic medium surrounding this cylinder is considered and it is assumed that on the inner free face of the cylinder a point-located axisymmetric time harmonic force, with respect to the cylinder's axis and which is uniformly distributed in the circumferential direction, acts. The shear-spring type imperfect contact conditions on the interface between the constituents are satisfied. The mathematical formulation of the problem is made within the scope of the exact equations of linear elastodynamics. The focus is on the frequency-response of the interface normal and shear stresses and the influence of the problem parameters, such as the ratio of modulus of elasticity, the ratio of the cylinder thickness to the cylinder radius, and the shear-spring type parameter which characterizes the degree of the contact imperfectness, on these responses. Corresponding numerical results are presented and discussed. In particular, it is established that the character of the influence of the contact imperfection on the frequency response of the interface stresses depends on the values of the vibration frequency of the external forces.
This work presents a new nonlocal hyperbolic shear deformation beam theory for the static, buckling and vibration of nanoscale-beams embedded in an elastic medium. The present model is able to capture both the nonlocal parameter and the shear deformation effect without employing shear correction factor. The nonlocal parameter accounts for the small size effects when dealing with nanosize structures such as nanobeams. Based on the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion of the nanoscale-beam are obtained using Hamilton's principle. The effect of the surrounding elastic medium on the deflections, critical buckling loads and frequencies of the nanobeam is investigated. Both Winkler-type and Pasternak-type foundation models are used to simulate the interaction of the nanobeam with the surrounding elastic medium. Analytical solutions are presented for a simply supported nanoscale-beam, and the obtained results compare well with those predicted by the other nonlocal theories available in literature.
In this paper, a new explicit analytical formula is derived for the critical buckling load of Double Walled Carbon Nanotubes (DWCNTs) embedded in Winkler elastic medium without taking into account the effects of the nonlocal parameter, which indicates the effects of the surrounding elastic matrix combined with the intertube Van der Waals (VdW) forces. Furthermore, we present a model which predicts that the critical axial buckling load embedded in Winkler, Pasternak or Kerr elastic medium under axial compression using the nonlocal Donnell shell theory, this model takes into account the effects of internal small length scale and the VdW interactions between the inner and outer nanotubes. The present model predicts that the critical axial buckling load of embedded DWCNTs is greater than that without medium under identical conditions and parameters. We can conclude that the embedded DWCNTs are less susceptible to axial buckling than those without medium.
An asymptotic local plane strain elasticity theory is reformulated for the static analysis of a simply-supported, multiple graphene sheet system (MGSS) in cylindrical bending and resting on an elastic medium. The dimension of the MGSS in the y direction is considered to be much greater than those in the x and z directions, such that all the field variables are considered to be independent of the y coordinate. Eringen's nonlocal constitutive relations are used to account for the small length scale effects in the formulation examining the static behavior of the MGSS. The interaction between the MGSS and its surrounding foundation is modelled as a Winkler foundation with the parameter kw, and the interaction between adjacent graphene sheets (GSs) is considered using another Winkler model with the parameter cw. A parametric study with regard to some effects on the static behavior of the MGSS resting on an elastic medium is undertaken, such as the aspect ratio, the number of the GSs, the stiffness of the medium between the adjacent layers and that of the surrounding medium of the MGSS, and the nonlocal parameter.
Based on the extended spatial mobilization plane (SMP) criterion, we present an elastic-brittle-plastic solution for an axisymmetric cylindrical tunnel. The influences of the intermediate principal compressive stress and material strain-softening behavior are considered. Closed-form formulas for the critical support force, radius of plastic zone, and distributions of stress and displacement in surrounding rock are proposed. The elastic-plastic solution based on SMP is compared with the Kastner solution to verify the credibility of the obtained elastic-plastic solution. The elastic-brittle-plastic solution following the SMP criterion and the current solution based on the Mohr-Coulomb criterion are also compared. The rock strain-softening rate and the intermediate principal stress affect the stability of the surrounding rock. The results provide guidance for optimizing the design of support systems for tunnels.
Heydari, Mohammad Mehdi;Kolahchi, Reza;Heydari, Morteza;Abbasi, Ali
Structural Engineering and Mechanics
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v.49
no.5
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pp.661-672
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2014
Laminated Rectangular plates embedded in elastic foundations are used in many mechanical structures. This study presents an analytical approach for transverse bending analysis of an embedded symmetric laminated rectangular plate using Mindlin plate theory. The surrounding elastic medium is simulated using Pasternak foundation. Adopting the Mindlin plate theory, the governing equations are derived based on strain-displacement relation, energy method and Hamilton's principle. The exact analysis is performed for this case when all four ends are simply supported. The effects of the plate length, elastic medium and applied force on the plate transverse bending are shown. Results indicate that the maximum deflection of the laminated plate decreases when considering an elastic medium. In addition, the deflection of the laminated plate increases with increasing the plate width and length.
The bi-material elastic system consisting of the pre-stressed hollow cylinder and pre-stresses surrounding infinite elastic medium is considered and it is assumed that the mentioned initial stresses in this system are caused with the compressing or stretching uniformly distributed normal forces acting at infinity in the direction which is parallel to the cylinder's axis. Moreover, it is assumed that on the internal surface of the cylinder the ring load which moves with constant velocity acts and within these frameworks it is required to determine the influence of the aforementioned initial stresses on the critical velocity of the moving load. The corresponding investigations are carried out within the framework of the so-called three-dimensional linearized theory of elastic waves in initially stresses bodies and the axisymmetric stress-strain state case is considered. The "moving coordinate system" method is used and the Fourier transform is employed for solution to the formulated mathematical problem and Fourier transformation of the sought values are determined analytically. However, the originals of those are determined numerically with the use of the Sommerfeld contour method. The critical velocity is determined from the criterion, according to which, the magnitudes of the absolute values of the stresses and displacements caused with the moving load approaches an infinity. Numerical results on the influence of the initial stresses on the critical velocity and interface normal and shear stresses are presented and discussed. In particular, it is established that the initial stretching (compressing) of the constituents of the system under consideration causes a decrease (an increase) in the values of the critical velocity.
Using the non-local elasticity theory, Timoshenko beam model is developed to study the non- local buckling of Triple-walled carbon nanotubes (TWCNTs) embedded in an elastic medium under axial compression. The chirality and small scale effects are considered. The effects of the surrounding elastic medium based on a Winkler model and van der Waals' (vdW) forces between the inner and middle, also between the middle and outer nanotubes are taken into account. Considering the small-scale effects, the governing equilibrium equations are derived and the critical buckling loads under axial compression are obtained. The results show that the critical buckling load can be overestimated by the local beam model if the small-scale effect is overlooked for long nanotubes. In addition, significant dependence of the critical buckling loads on the chirality of zigzag carbon nanotube is confirmed. Furthermore, in order to estimate the impact of elastic medium on the non-local critical buckling load of TWCNTs under axial compression, the use of these findings are important in mechanical design considerations, improve and reinforcement of devices that use carbon nanotubes.
In this article, analytical solution for free vibration of micro composite laminated beam on elastic medium based on modified couple stress are presented. The surrounding elastic medium is modeled as the Winkler elastic foundation. The governing equations and boundary conditions are obtained by using the principle of minimum potential energy for EulerBernoulli beam. For investigating the effect of different parameters including material length scale, beam thickness, some numerical results on different cross ply laminated beams such as (90,0,90), (0,90,0), (90,90,90) and (0,0,0) are presented on elastic medium. Free vibration analysis of a simply supported beam is considered utilizing the Fourier series. Also, the fundamental frequency is obtained using the principle of Hamilton for four types of cross ply laminations with hinged-hinged boundary conditions and different beam theories. The fundamental frequency for different thin beam theories are investigated by increasing the slenderness ratio and various foundation coefficients. The results prove that the modified couple stress theory increases the natural frequency under the various foundation for free vibration of composite laminated micro beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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