تحلیل ارتعاش خارج از صفحه‌ی نانو لوله‌های کربنی تک جداره با استفاده از تئورهای ‌گرادیان کرنش و تنش بر مبنای تئوری پوسته‌ی نازک دانل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی مهندسی دانشگاه ازاد واحد اراک

2 دانشکده فنی داتشگاه اراک

3 دانشکده فنی دانشگاه اراک

چکیده
امروزه، مواد دارای ساختار میکرو / نانو به طور گسترده ای در کاربردهای مختلف مهندسی از قبیل سیستم های نانوالکترومکانیکی، علوم مربوط به نور، مهندسی هسته ای، مهندسی هوا فضا، ذخیره انرژی، مهندسی عمران و غیره مورد استفاده قرار می گیرند. به تازگی، تئوری های مختلف غیر کلاسیک مانند تنش کوپل، الاستیسیته غیر محلی و گرادیان کرنش جهت در نظر گرفتن رفتار وابستگی اندازه در ساختارها ی مقیاس کوچک توسعه یافته اند. در این مقاله، ارتعاش خارج از صفحه‌ی نانو لوله‌های کربنی تک جداره با استفاده از تئوری گرادیان تنش، تئوری گرادیان کرنش و تئوری کلاسیک الاستیسیته بر اساس فرضیات تئوری پوسته نازک دانل مورد مطالعه قرار گرفته است. جهت محاسبه پارامترهای ارتعاش آزاد نانو لوله‌های کربنی، انرژی‌های جنبشی و کرنشی (پتانسیل) را محاسبه کرده و با اکسترمم کردن این انرژی‌ها از روش انرژی ریلی؛ فرکانس طبیعی سیستم بدست آمده است. همچنین فرکانس طبیعی مودهای ریلی و لاو ارتعاش خارج از صفحه‌ای نانو لوله‌های کربنی تک جداره با بکارگیری تئوری گرادیان تنش و تئوری گرادیان کرنش بر اساس فرضیات تئوری پوسته‌ی نازک دانل بر آورد می‌گردد که این موضوع از مهمترین نوع اوریهای کار حاضر نیز می باشد. به منظور بررسی دقت و اعتبار روش تحلیلی حاضر، نتایج بدست آمده در این مقاله با نتایج ارائه شده در مراجع مقایسه و صحه گذاری گردیده است. در نتایج عددی بدست آمده، تاثیر پارامتر‌های مختلف از قبیل؛ طول، ضخامت و شعاع نانو لوله‌های کربنی تک جداره بر فرکانس‌های طبیعی ریلی و لاو مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Out of plane vibration analysis of single-walled carbon nanotubes using stress and strain gradient theories based on Donnell's thin shell theory

نویسندگان English

Saeed Jafari Mehrabadi 1
Tahmoores Asgari 2
Mohammad Khodadadi 3
1 Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Arak branch, Arak, Iran
2 Faculty of Engineering, Arak University
3 Faculty of Engineering, Arak University
چکیده English

Nowadays, micro/nano materials are widely used in various engineering applications such as nanoelectro- mechanical systems, opto-electronics, nuclear engineering, aerospace engineering, energy storage, civil engineering and etc. recently, different non-classical theories such as the couple stress, the nonlocal elasticity and the strain gradient elasticity theories have been developed to consider the size dependency behavior of the structures in small-scales. In this paper, out of plane vibration analysis of single-walled carbon nanotubes were studied using stress gradient theory, strain gradient theory and the classical theory of elasticity based on the assumptions of the Donnell's thin shell theory.. To determining the free vibration parameters of the carbon nanotube, the kinetic and strain (potential) energies were obtained and will be maximized then using Rayleigh's method the natural frequency was obtained. Natural frequency of the Rayleigh and Love modes of out of plane vibration of the single wall carbon nanotubes out are estimated using stress gradient theory, strain gradient theory and the classical theory of elasticity based on the assumptions of the Donnell's thin shell theory. In order to verify the accuracy and reliability of the present study, the results were obtained in this study were compared and validated with available data in the literature. Using numerical data provided, effect of different parameters including length, thickness and radius of the single-walled carbon nanotubes on the natural frequency of the Rayleigh and Love modes are examined and discussed in detail.

کلیدواژه‌ها English

Carbon nanotube
out of plane vibration
stress and strain gradient
love and Rayleigh frequency
Donnell's thin shell theory
[1] Eringen A C. On differential equations of nonlocal elasticity and solutions of screw dislocation and surface waves. Journal of applied physics. 1983;54:4703-4710.
[2] Varzandian G A, Ziaei S. Analytical solution of non-Linear free vibration of thin rectangular plates with various boundary conditions based on non-Local theory. Mechanical Engineering. 2017;48.
[3] Mindlin R D, Eshel N N. On first strain-gradient theories in linear elasticity. International Journal of Solids and Structures. 1968;4:109-124.
[4] Darvizeh M, Darvizeh A, Ansari R, Alijani A. One-and two-dimensional analysis of large deformations of beams using continuum mechanics theory. Modares Mechanical Engineering. 2011;11:33-40 (In Persian).
[5] Abbasi M. Investigation of the size effect on the vibrational behavior of an AFM microcantilever with a sidewall probe, using strain gradient elasticity theory. Modares Mechanical Engineering. 2014;13:90-99 (In Persian).
[6] Blevins R D, Plunkett R. Formulas for natural frequency and mode shape. Journal of Applied Mechanics.1980;47:461.
[7] Shi M X, Li Q M, Huang Y. A nonlocal shell model for mode transformation in single-walled carbon nanotubes. Journal of Physics: Condensed Matter. 2009;21:455301.
[8] Haddadpour H, Mahmoudkhani S, Navazi H M. Free vibration analysis of functionally graded cylindrical shells including thermal effects. Thin-walled structures. 2007;45:591-599.
[9] Murmu T, Pradhan S C. Thermo-mechanical vibration of a single-walled carbon nanotube embedded in an elastic medium based on nonlocal elasticity theory. Computational Materials Science. 2009;46:854-859.
[10] Bakhsheshy A, Khorshidi K. Free vibration of functionally graded rectangular nanoplates in thermal environment based on the modified couple stress theory. Modares Mechanical Engineering. 2015;14:323-330.(In Persian).
[11] Malekzadeh P, Heydarpour Y. Free vibration analysis of rotating functionally graded cylindrical shells in thermal environment. Composite Structures. 2012;94:2971-2981.
[12] Gupta S S, Bosco F G, Batra R C. Breakdown of structural models for vibrations of single-wall zigzag carbon nanotubes. Journal of applied physics. 2009;106:063527.
[13] Love A E H. A treatise on the mathematical theory of elasticity. Cambridge university press. 2013.
[14] Loy C T, Lam K Y, Reddy J N. Vibration of functionally graded cylindrical shells. International Journal of Mechanical Sciences. 1999;41:309-324.
[15] Pradhan S C, Loy C T, Lam K Y, Reddy J N. Vibration characteristics of functionally graded cylindrical shells under various boundary conditions. Applied Acoustics. 2000;61:111-129.
[16] Ansari R, Darvizeh M. Prediction of dynamic behaviour of FGM shells under arbitrary boundary conditions. Composite Structures. 2008;85:284-292.
[17] Rahimi G, Hematnezhad,M. Analysis vibration of FGM shells with annelid supports. in Proceedings of the first International Conference on Acoustics and Vibration, Tehran, Iran. 2011 (In Persian).
[18] Das S L, Mandal T, Gupta S S. Inextensional vibration of zig-zag single-walled carbon nanotubes using nonlocal elasticity theories. International Journal of Solids and Structures. 2013;50:2792-2797.
[19] Amabili M. Nonlinear vibrations and stability of shells and plates. Cambridge University Press. 2008.
دوره 1، شماره 2
زمستان 1400
صفحه 201-215

  • تاریخ دریافت 18 دی 1400
  • تاریخ بازنگری 09 بهمن 1400
  • تاریخ پذیرش 17 بهمن 1400