This paper develops a spectral element model for the composite beams with a surface-bonded piezoelectric layer from the governing equations of motion. The governing equations of motion are derived from Hamilton's principle by applying the Bernoulli-Euler beam theory for the bending vibration and the elementary rod theory for the longitudinal vibration of the composite beams. For the PZT layer, the Bernoulli-Euler beam theory and linear piezoelectricity theory are applied. The high accuracy of the present spectral element model is evaluated through the numerical examples by comparing with the finite element analysis results.
본 논문에서는 내리기 시 파이프라인의 단면력 해석을 위한 합리적인 해석 모델을 제안했다. 본 해석 모델은 기하학적 특성과 경계조건을 고려하여 파이프라인을 분할한 후 two parameters Beam On Elastic Foundation과 Euler-Bernoulli 빔으로 모델링했다. 또한 파이프라인과 지반의 상호 작용 뿐만 아니라 파이프라인에 작용하는 축력을 했다. 기존 모델은 정형화된 하중 조건만 적용이 용이했으나 Segmented Pipeline Model로 정의된 제안 모델은 내리기 시 발생되는 대부분의 시공 조건에 대해 고려할 수 있다. 또한 가정을 최소화하고 요소를 세분화하여 모델링의 편의성과 적용성을 향상시켰다. 그럼에도 불구하고 이 모델은 FE 모델에 대비 높은 정확도를 갖고 있으므로 내리기 시 파이프라인의 안전성 평가는 물론 형상관리에도 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 시공 단계에서 파이프라인의 안전성을 확보함에 따라 운용 중 내구성 향상에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
In this paper, Timoshenko and Euler-Bernoulli beam theories(EB-beam) are used, and Fast Fourier Transformation(FFT) analysis is then employed to extract their natural frequencies using both analytical approach and Co-rotational plane beam(CR-beam) EDISON program. EB-beam is used to analyze a spring-mass system with a single degree of freedom. Sinusoidal force with various frequencies and constant magnitude are applied to tip of each beam. After the oscillatory tip response is observed in EB-beam, it decreases and finally converges to the so-called 'steady-state.' The decreasing rate of the tip deflection with respect to time is reduced when the forcing frequency is increased. Although the tip deflection is found to be independent of the excitation frequency, it turns out that time to reach the steady state response is dependent on the forcing frequency.
In this paper, the natural frequency and damping ratio are analyzed with the acceleration signal of an Euler-Bernoulli beam using the impact hammer test. The results are presented according to crack depth and position using the recursive least squares method. The results are compared and investigated with FEM analysis of CATIA. Both methods agree well with each other regarding the natural mode characteristics. The captured acceleration can be used for the calculation of the natural frequency and damping ratio using time series methods that are based on the measured acceleration. Using these data, a recursive time series model with the acceleration signal was configured and the behaviors of the natural frequency and damping ratio were investigated and analyzed. Finally, the results can be used for the prediction of crack position and depth under different crack conditions for an Euler-Bernoulli beam.
The present paper is devoted to vibration canceling and shape control of piezoelastic slender beams. Taking into account the presence of electric networks, an extended electromechanically coupled Bernoulli-Euler beam theory for passive piezoelectric composite structures is shortly introduced in the first part of our contribution. The second part of the paper deals with the concept of passive shape control of beams using shaped piezoelectric layers and tuned inductive networks. It is shown that an impedance matching and a shaping condition must be fulfilled in order to perfectly cancel vibrations due to an arbitrary harmonic load for a specific frequency. As a main result of the present paper, the correctness of the theory of passive shape control is demonstrated for a harmonically excited piezoelelastic cantilever by a finite element calculation based on one-dimensional Bernoulli-Euler beam elements, as well as by the commercial finite element code of ANSYS using three-dimensional solid elements. Finally, an outlook for the practical importance of the passive shape control concept is given: It is shown that harmonic vibrations of a beam with properly shaped layers according to the presented passive shape control theory, which are attached to an resistor-inductive circuit (RL-circuit), can be significantly reduced over a large frequency range compared to a beam with uniformly distributed piezoelectric layers.
This paper explores the geometrical non-linear behavior of the simply supported tapered beams subject to the trapezoidal distributed load and end moments. In order to apply the Bernoulli -Euler beam theory to this tapered beam, the bending moment equation on any point of the elastical is obtained by the redistribution of trapezoidal distributed load. On the basis of the bending moment equation and the BErnoulli-Euler beam theory, the differential equations governging the elastical of such beams are derived and solved numerically by using the Runge-Jutta method and the trial and error method. The three kinds of tapered beams (i.e. width, depth and square tapers) are analyzed in this study. The numerical results of non-linear behavior obtained in this study from the simply supported tapered beams are appeared to be quite well according to the results from the reference . As the numerical results, the elastica, the stress resultants and the load-displacement curves are given in the figures.
The dynamic stiffness matrix is formulated for an axially loaded slender double-beam element in which both beams are homogeneous, prismatic and of the same length by directly solving the governing differential equations of motion of the double-beam element. The Bernoulli-Euler beam theory is used to define the dynamic behaviors of the beams and the effects of the mass of springs and axial force are taken into account in the formulation. The dynamic stiffness method is used for calculation of the exact natural frequencies and mode shapes of the double-beam systems. Numerical results are given for a particular example of axially loaded double-beam system under a variety of boundary conditions, and the exact numerical solutions are shown for the natural frequencies and normal mode shapes. The effects of the axial force and boundary conditions are extensively discussed.
Galeban, M.R.;Mojahedin, A.;Taghavi, Y.;Jabbari, M.
Steel and Composite Structures
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제21권5호
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pp.999-1016
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2016
This study presents free vibration of beam made of porous material. The mechanical properties of the beam is variable in the thickness direction and the beam is investigated in three situations: poro/nonlinear nonsymmetric distribution, poro/nonlinear symmetric distribution, and poro/monotonous distribution. First, the governing equations of porous beam are derived using principle of virtual work based on Euler-Bernoulli theory. Then, the effect of pores compressibility on natural frequencies of the beam is studied by considering clamped-clamped, clamped-free and hinged-hinged boundary conditions. Moreover, the results are compared with homogeneous beam with the same boundary conditions. Finally, the effects of poroelastic parameters such as pores compressibility, coefficients of porosity and mass on natural frequencies has been considered separately and simultaneously.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제3권4호
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pp.54-63
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2002
In recent years, mechanical systems such as high speed vehicles and railway trains moving on elastic beam structures have become a very important issue to consider. In this paper, a general approach, which can predict the dynamic behavior of a constrained mechanical system moving on a flexible beam structure, is proposed. Various supporting conditions for the foundation support are considered for the elastic beam structure. The elastic structure is assumed to be a non-uniform and linear Bernoulli-Euler beam with a proportional damping effect. Combined differential-algebraic equation of motion is derived using the multi-body dynamics theory and the finite element method. The proposed equations of motion can be solved numerically using the generalized coordinate partitioning method and predictor-corrector algorithm, which is an implicit multi-step integration method.
In this paper, the efficiency and the accuracy of classical (CE) and high order (HE) beam element are improved by introducing two novel techniques. The first proposed element (FPE) provides an alternative for (HE) by taking the mode shapes of the clamped-clamped (C-C) beam into account. The second proposed element (SPE) which could be utilized instead of (CE) and (HE) considers not only the mode shapes of the (C-C) beam but also some virtual nodes. It is numerically proven that the eigenvalue problem and the frequency response function for Euler-Bernoulli beam are obtained more accurate and efficient in contrast to the traditional ones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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