Analysis of Wave Propagation in Porous Functionally Graded Carbon Nanotube-Reinforced Beams. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) The Thesis Report - Saeed Al-Houri.pdf Restricted to Repository staff only until 17 December 2025. Download (5MB)

Arabic Abstract

المواد ذات الخواص المتدرجة وظيفيًا هي نوع جديد من المواد المركبة التي تقدم أداءً استثنائيًا، بسبب الاختلاف التدريجي في تكوين بنيتها. لقد عمل العلماء والمهندسون على تحسين البنية المجهرية للمواد سعيًا وراء المواد الحديثة المتقدمة. ومنذ ذلك الحين، ظهرت أنواع مختلفة من المواد النانوية في مجال البحث. تعد الأنابيب النانوية الكربونية إحدى مواد الحشو المستخدمة في الهياكل المركبة نظرًا لخصائصها الميكانيكية والحرارية والكهربائية الممتازة. إن تطبيق مفهوم المواد متدرجة الخواص في توزيع الأنابيب النانوية الكربونية في البوليمر ينتج منه ولادة مواد مركبة ذات تسليح متدرج بأنابيب الكربون النانوية. تهدف هذه الأطروحة إلى دراسة انتشار الموجات في عواض مركبة ومسلحة بأنابيب الكربون النانوية تسليحًا متدرجًا، وتحتوي على مسام في تركيبها وذات طول لا محدود. تتكون العوارض من أربعة أنماط تدرج من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار موزعة في مصفوفة البوليمر مع استخدام قاعدة الخليط لتقدير خصائصها الميكانيكية. الجديد في هذه الدراسة، استخدام ثلاثة نماذج مسامية لوصف توزيعات المسام داخل مصفوفة البوليمر، والتوزيعات المتدرجة غير الخطية لأنابيب الكربون بناءً على نماذج أسيَّة لتحقيق توزيع مثالي لأنابيب الكربون النانوية، وأساس كير المرن لتصوير تأثير البيئة المحيطة على العوارض. الدراسة تستخدم نظريتي الرتبة الأولى والرتبة العليا من تشوه القص المصُوغة بمُعَادَلَاتٍ تَكَامُلِيّة لتمثيل تشتت الموجات تمثيلا تحليليًا مع معادلات جديدة لوصف توزيع إجهاد القص والانفعال لكلا النظريتين. معادلات الحركة الحاكمة تُشتق باستخدام مبدأ هاملتون. أيضا، الرسالة تحقق من مصداقية وقابلية تطبيق النظريات المقترحة من خلال المقارنة مع نتائج الأعمال المنشورة سابقًا في هذا المجال. تدرس الأطروحة تأثير كمية وأنماط توزيع الأنابيب النانوية الكربونية في البوليمر، مع الأخذ في الاعتبار تأثير التوزيع الأُسِّيّ اللَّاخَطِي بالأنابيب وتواجد المسام في البوليمر وأخيرًا أساس كِر المرن. أُجْرِيت المقارنات بين النماذج المقترحة حديثًا والأعمال البحثية المنشورة سابقًا، وأظهرت توافقًا كبيرًا بينهم. تشير النتائج التحليلية إلى أن ترتيبات الأنابيب النانوية الكربونية تتلاعب بصلابة العوارض، مما يؤثر على علاقات التشتت. كما أن زيادة نسبة وجود الأنابيب النانوية الكربونية تعمل على تحسين صلابة العوارض، مما يتوافق مع موجات ذات سرعات أعلى. بالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة النسب الحجمية للمسام مع تنفيذ توزيع متجانس يؤدي إلى تحسين سرعات الانتشار. فضلاً عن ذلك، يصبح تأثير زيادة نسبة وجود المسام والأنابيب النانوية الكربونية في البوليمر وتطبيق النماذج المتنوعة للمسام أكثر وضوحًا مع زيادة العدد الموجي. أيضا، يؤثر التوزيع المتدرج غير الخطي للأنابيب النانوية الكربونية إلى حد بعيد على انتشار الموجة، مع اختلاف التأثير اعتمادًا على نوع الموجة ونمط توزيع أنابيب الكربون. ثم إنَّ وجود الأساس يعزز سرعات انتشار الموجات ويؤثر فقط على موجات الانحناء، حيث تنتج التفاعلات بين مكونات أساس كرِ تأثيرات متنوعة على علاقات التشتت. علاوة على ذلك، تظهر نظريتا تشوه القص المقترحتين سلوكًا متماثلًا لانتشار الموجات في جميع أنواع العوارض عندما تكون الأعداد الموجية منخفضة. ومع ذلك، فهي تختلف إلى حد كبير في التقاط تشتت الموجات عندما تكون الأعداد الموجية بقيم أعلى.

English Abstract

Functionally graded materials (FGMs) are a novel class of composite materials that offer exceptional performance owing to their gradual alteration in material composition throughout their structure. Scientists and engineers have been improving the microstructure of materials in pursuit of advanced materials. This evolution has led to the emergence of various nanomaterials in the research field. Carbon nanotubes (CNTs) are one of the nanofillers used in composite structures due to their excellent mechanical, thermal, and electrical attributes. The application of the concept of FGMs in the distribution of CNTs within polymer matrices bears the birth of functionally graded (FG) CNTs-reinforced composite (CNTRC) structures. This thesis aims to investigate the wave propagation behavior in porous infinite functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) beams. The beams comprise four patterns of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) distributed in the polymer matrix with the mixture rule used to estimate the material properties of FG-CNTR beams. Innovative to this study are three porosity models describing the porosity distributions within the matrix, nonlinear distributions of FG-CNTs based on exponential power-law models to achieve an optimal distribution of CNTs, and the Kerr elastic foundation to depict the effect of the surroundings on the beams. Integral first- and higher-order shear deformation theories (FSDT and HSDT) are considered to model the FG-CNTRC beams for analytically formulating the dispersion of the waves with novel correction and shape functions to describe the distribution of shear stress and strain for each theory, respectively. The equations of motion are derived based on Hamilton's principle. The validity of the mathematical models is confirmed through numerical comparisons with previously published works. The thesis parametric investigation includes the influence of the dispersion patterns of CNTs, porosity models, and volume fraction of CNTs and porosity on wave propagation responses. In addition, the study examines the effects of the Kerr foundation and the nonlinear model on wave dispersion behavior. Comparisons were conducted, and an excellent agreement was reached between the newly proposed models and earlier published research works. Analytical findings suggest that the arrangements of CNTs manipulate the rigidities of the beams, affecting the dispersion relations. Also, increasing the volume fractions of CNTs improves the stiffness of the beams, corresponding to faster wave velocities. Additionally, augmenting the volume fractions of the porosity and implementing a uniform porosity model leads to improved propagating velocities. Further, the impact of CNTs volume fractions, porosity models, and porosity volume fractions becomes more pronounced as the wavenumber increases. Furthermore, the nonlinear distribution of FG-CNTs greatly influences the wave propagation, with the impact varying depending on the wave type and distribution pattern of CNTs. Also, the foundation presence boosts wave velocities and influences only the bending waves, with interactions among the components of the Kerr foundation producing diverse effects on dispersion relations. Moreover, the two shear deformation theories predict identical wave propagation behavior of all beams at lower wavenumbers. However, they differ significantly in capturing the dispersion of propagating waves with higher wavenumbers.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering Engineering Aerospace Mechanical
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Osta, Mohammed
Committee Members:	Tounsi, Abdelouahed and Al-Dulaijan, Salah
Depositing User:	SAEED ALHOURI (g201431280)
Date Deposited:	18 Dec 2024 07:14
Last Modified:	18 Dec 2024 07:14
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143126