In this study, various damage modes in bending unimorph piezoelectric composite actuators with a thin sandwiched PZT plate during bending fracture tests have been evaluated by monitoring acoustic emission (AE) signals in terms of waveform and peak frequency as well as AE parameters. Three kinds of actuator specimens consisting of woven fabric fiber skin layers and a PZT ceramic core layer are loaded with a roller and an AE activity from the specimen is monitored during the entire loading using an AE transducer mounted on the specimen. AE characteristics from a monolithic PZT ceramic with a thickness of $250{\mu}m$ are examined first in order to distinguish different AE signals from various possible damage modes in piezoelectric composite actuators. Post-failure observations and stress analyses in the respective layers of the specimens are conducted to identify particular features in the acoustic emission signal that correspond to specific types of damage modes. As a result, the signal classification based on waveform and peak frequency analyses successfully describes the failure process of the bending piezoelectric composite actuator exhibiting diverse failure mechanisms. Furthermore, it is elucidated that when the PZT ceramic embedded actuators are loaded mechanical bending loads, the failure process of actuator specimens with different lay-up configurations is almost same irrespective of their lay-up configurations.
In this study, a relationship between the resonance frequency ratio and Poisson's ratio was proposed that can be used to directly determine the elastic constants. Using this relationship, the frequency ratio between the 1st bending mode and 2nd bending mode for any rectangular Timoshenko beam can be directly estimated and used to determine the elastic constants efficiently. The exact solution of the Timoshenko beam vibration frequency equation under free-free boundary conditions was determined with an accurate shear shape factor. The highest percent difference for the frequency ratio between the theoretical values and the estimated values for all the beam dimensions studied was less than 0.02%. The proposed equations were used to obtain the elastic constants of beams with different material properties and dimensions using the first two measured transverse bending frequencies. Results show that using the equations proposed in this study, the Young's modulus and Poisson's ratio of rectangular Timoshenko beams can be determined more efficiently and accurately than those obtained from industry standards such as ASTM E1876-15 without the need to test the torsional vibration.
This paper explains analytical and experimental studies to evaluate the natural frequency of a composite carbody of Korean tilting train. The composite carbody with length of 23m was manufactured as a sandwich structure composed of 40mm-thick aluminium honeycomb core and 5mm-thick woven fabric carbon/epoxy face. From the finite element analysis, the 1st bending and 1st twisting natural frequency of the composite carbody were 11.67Hz and 14.4Hz, respectively. In order to verify the analytical results, the natural frequency measuring tests were performed. The measured 1st bending and twisting natural frequencies of the composite carbody were 10.25Hz and 11.0Hz, respectively. Both of these results satisfied the design requirement.
In this paper, the influence of a crack on the natural frequency of cracked cantilever L-shaped beam with coupled bending and torsional vibrations by analytically and experimentally is analyzed. The L-shaped beam with a crack is modeled by Hamilton's principle with consideration of bending and torsional energy. The two coupled governing differential equations are reduced to one sixth-order ordinary differential equation in terms of the flexural displacement. The crack is assumed to be in the first, second and third mode of fracture and to be always opened during the vibrations. The theoretical results are validated by a comparison with experimental measurements. The maximal difference between the theoretical results and experimental measurements of the natural frequency is less than 7.5% in the second vibration mode.
This paper deals with the natural frequency analysis and two experiments to evaluate first twisting and bending natural frequency of railway vehicle. The KS R 9228 testing method is generally performed as pseudo FRF(frequency response function) which is widely used by two accelerometers. The exciting method is utilized using the load weight(1 ton release). The modal testing is used to verify KS R 9228 testing result and the natural frequency analysis result. The first twisting and bending natural frequency should be above 10 Hz by resonance which is mostly generated between bogie and vehicle frame exciting low frequency. The first twisting and bending natural frequency of railway vehicle are successfully verified between analysis and test.
During hot pipe bending using induction heating, the wall of bending outside is thinned by tensile stress. In design requirement, the reduction of wall thickness is not allowed to exceed 12.5%. So in this study, two methods of bending, one is loading of reverse moment and the other is loading of temperature gradient, have been investigated to design pipe bending process that satisfy design requirements. For this purpose, finite element analysis with a bending radius 2Do(outer diameter of pipe) has been performed to calculate proper reverse moment and temperature gradient to be applied. Induction heating process has been analyzed to estimate influence of heating process parameters on heating characteristic by finite difference method. Then pipe bending experiments have been performed for verification of finite element and finite difference analysis results. Experimental results are in good agreement with the results of simulations.
The bending, stability (buckling) and vibration response of nano sized beams is presented in this study based on the Eringen's nonlocal elasticity theory in conjunction with the Euler-Bernoulli beam theory. For this purpose, the bending, buckling and vibration problem of Euler-Bernoulli nanobeams are developed and solved on the basis of nonlocal elasticity theory. The effects of various parameters such as nonlocal parameter e0a, length of beam L, mode number n, distributed load q and cross-section on the bending, buckling and vibration behaviors of carbon nanotubes idealized as Euler-Bernoulli nanobeam is investigated. The transverse deflections, maximum transverse deflections, vibrational frequency and buckling load values of carbon nanotubes are given in tables and graphs.
Dynamic stability of an axially accelerating beam stucture is investigated in this paper. The equations of motion of a fixed-free beam are derived using the hybrid deformation variable method and the assumed mode method. Unstable regions due to periodical acceleration are obtained by using the Floquet's theory. Stability diagrams are presented to illustrate the influence of the dimensionless acceleration, amplitude, and frequency. Also, buckling occurs when the acceleration exceeds a certain value. It is found that relatively targe unstable regions exist around the first bending natural frequency, twice the first bending natural frequency, and twice the second bending natural frequency. The validity of the stability diagram is confirmed by direct numerical integration of the equations of motion.
Dynamic stability of an axially accelerating beam structure is investigated in this paper. The equations of motion of a fixed-free beam are derived using the hybrid deformation variable method and the assumed mode method. Unstable regions due to periodical acceleration are obtained by using the Floquet's theory. Stability diagrams are presented to illustrate the influence of the dimensionless acceleration, amplitude, and frequency. Also, buckling occurs when the acceleration exceeds a certain value. It is found that relatively large unstable regions exist around the first bending natural frequency, twice the first bending natural frequency, and twice the second bending natural frequency. The validity of the stability diagram is confirmed by direct numerical integration of the equations of motion.
The cable tension plays an important role in the construction, assessment and long-term health monitoring of cable structures. The cable vibration equation is nonlinear if cable sag and bending stiffness are included. The engineering implementation of a vibration-based cable tension evaluation is mostly carried out by the simple taut string theory. However, the simple theory may cause unacceptable errors in many applications since the cable sag and bending stiffness are ignored. From the practical point of view, it is necessary to have empirical formulas if they are simple and yet accurate. Based on the solutions by means of energy method and fitting the exact solutions of cable vibration equations where the cable sag and bending stiffness are respectively taken into account, the empirical formulas are proposed in the paper to estimate cable tension based on the cable fundamental frequency only. The applicability of the proposed formulas is verified by comparing the results with those reported in the literatures and with the experimental results carried out on the stay cables in the laboratory. The proposed formulas are straightforward and they are convenient for practical engineers to fast estimate the cable tension by the cable fundamental frequency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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