The dynamic response of Euler-Bernoulli beams to resonant harmonic moving loads is analysed. The non-dimensional form of the motion equation of a beam crossed by a moving harmonic load is solved through a perturbation technique based on a two-scale temporal expansion, which permits a straightforward interpretation of the analytical solution. The dynamic response is expressed through a harmonic function slowly modulated in time, and the maximum dynamic response is identified with the maximum of the slow-varying amplitude. In case of ideal Euler-Bernoulli beams with elastic rotational springs at the support points, starting from analytical expressions for eigenfunctions, closed form solutions for the time-history of the dynamic response and for its maximum value are provided. Two dynamic factors are discussed: the Dynamic Amplification Factor, function of the non-dimensional speed parameter and of the structural damping ratio, and the Transition Deamplification Factor, function of the sole ratio between the two non-dimensional parameters. The influence of the involved parameters on the dynamic amplification is discussed within a general framework. The proposed procedure appears effective also in assessing the maximum response of real bridges characterized by numerically-estimated mode shapes, without requiring burdensome step-by-step dynamic analyses.
A simulation method called modified differential transform is studied to solve the free vibration problems of uniform Euler-Bernoulli beam. First of all, the modified differential transform method is derived. Secondly, the modified differential transformation is applied to uniform Euler-Bernoulli beam free-free vibration. And then a set of differential equations are established. Through algebraic operations on these equations, we can get any natural frequency and normalized mode shape. Thirdly, the FEM is applied to obtain the numerical solutions. Finally, mode experimental method (MEM) is conducted to obtain experimental data for analysis by signal processing with LMS Test.lab Vibration testing and analysis system. Experimental data and simulation results are illustrated to be in comparison with the analytical solutions. The results show that the modified differential transform method can achieve good results in predicting the solution of such problems.
The present contribution is concerned with the static and dynamic stability of a piezo-laminated Bernoulli-Euler beam subjected to an axial compressive force. Recently, an inconsistent derivation of the equations of motions of such a smart structural system has been presented in the literature, where it has been claimed, that an axial piezoelectric actuation can be used to control its stability. The main scope of the present paper is to show that this unfortunately is impossible. We present a consistent theory for composite beams in plane bending. Using an exact description of the kinematics of the beam axis, together with the Bernoulli-Euler assumptions, we obtain a single-layer theory capable of taking into account the effects of piezoelectric actuation and buckling. The assumption of an inextensible beam axis, which is frequently used in the literature, is discussed afterwards. We show that the cited inconsistent beam model is due to inadmissible mixing of the assumptions of an inextensible beam axis and a vanishing axial displacement, leading to the erroneous result that the stability might be enhanced by an axial piezoelectric actuation. Our analytical formulations for simply supported Bernoulli-Euler type beams are verified by means of three-dimensional finite element computations performed with ABAQUS.
In this paper, the nonlinear static and free vibration analysis of Euler-Bernoulli composite beam model reinforced by functionally graded single-walled carbon nanotubes (FG-SWCNTs) with initial geometrical imperfection under uniformly distributed load using finite element method (FEM) is investigated. The governing equations of equilibrium are derived by the Hamilton's principle and von Karman type nonlinear strain-displacement relationships are employed. Also the influences of various loadings, amplitude of the waviness, UD, USFG, and SFG distributions of carbon nanotube (CNT) and different boundary conditions on the dimensionless transverse displacements and nonlinear frequency ratio are presented. It is seen that with increasing load, the displacement of USFG beam under force loads is more than for the other states. Moreover it can be seen that the nonlinear to linear natural frequency ratio decreases with increasing aspect ratio (h/L) for UD, USFG and SFG beam. Also, it is shown that at the specified value of (h/L), the natural frequency ratio increases with the increasing the values amplitude of waviness while the dimensionless nonlinear to linear maximum deflection decreases. Moreover, with considering the amplitude of waviness, the stiffness of Euler-Bernoulli beam model reinforced by FG-CNT increases. It is concluded that the R parameter increases with increasing of volume fraction while the rate of this parameter decreases. Thus one can be obtained the optimum value of FG-CNT volume fraction to prevent from resonance phenomenon.
Lee, Byoung Koo;Kim, Suk Ki;Lee, Tae Eun;Kim, Gwon Sik
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.1A
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pp.53-60
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2009
This paper deals with the geometrical nonlinear analyses of post-buckled columns with variable cross-section. The objective columns having variable cross-section of the width, depth and square tapers are supported by both hinged ends. By using the Bernoulli-Euler beam theory, differential equations governing the elastica of post-buckled column and their boundary conditions are derived. The solution methods of these differential equations which have two unknown parameters are developed. As the numerical results, equilibrium paths, elasticas and stress resultants of the post-buckled columns are presented. Laboratory scaled experiments were conducted for validating the theories developed in this study.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.6A
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pp.617-624
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2009
This study deals with the free vibrations of the elastica shaped arch with linear taper. The shape of elastica is obtained from the Bernoulli-Euler beam theory. Differential equations governing free vibrations of such arch are derived and numerically solved to determine natural frequencies, in which three kinds of taper type and two kinds of end constraint, respectively, are considered. For validating the theories presented herein, the frequency parameters obtained in this study are compared to those of SAP 2000. As results of the numerical analyses, effects of end constraint, taper type, slenderness ratio and section ratio on the lowest four non-dimensional frequency parameters are extensively investigated.
This paper is concerned with static and dynamic shape control of a laminated Bernoulli-Euler beam hosting a uniformly distributed array of resistively interconnected piezoelectric patches. We present an analytical one-dimensional model for a laminated piezoelectric beam with material discontinuities within the framework of Bernoulli-Euler and extent the model by a network of resistors which are connected to several piezoelectric patch actuators. The voltage of only one piezoelectric patch is prescribed: we answer the question how to design the interconnected resistive electric network in order to annihilate lateral vibrations of a cantilever. As a practical example, a cantilever with eight patch actuators under the influence of a tip-force is studied. It is found that the deflection at eight arbitrary points along the beam axis may be controlled independently, if the local action of the piezoelectric patches is equal in magnitude, but opposite in sign, to the external load. This is achieved by the proper design of the resistive network and a suitable choice of the input voltage signal. The validity of our method is exact in the static case for a Bernoulli-Euler beam, but it also gives satisfactory results at higher frequencies and for transient excitations. As long as a certain non-dimensional parameter, involving the number of the piezoelectric patches, the sum of the resistances in the electric network and the excitation frequency, is small, the proposed shape control method is approximately fulfilled for dynamic load excitations. We evaluate the feasibility of the proposed shape control method with a more refined model, by comparing the results of our one-dimensional calculations based on the extended Bernoulli-Euler equations to three-dimensional electromechanically coupled finite element results in ANSYS 12.0. The results with the simple Bernoulli-Euler model agree well with the three-dimensional finite element results.
The purpose of this paper is to construct a new family of the special numbers which are related to the Fubini type numbers and the other well-known special numbers such as the Apostol-Bernoulli numbers, the Frobenius-Euler numbers and the Stirling numbers. We investigate some fundamental properties of these numbers and polynomials. By using generating functions and their functional equations, we derive various formulas and relations related to these numbers and polynomials. In order to compute the values of these numbers and polynomials, we give their recurrence relations. We give combinatorial sums including the Fubini type numbers and the others. Moreover, we give remarks and observation on these numbers and polynomials.
In this presentation dedicated to the tricentennial birth anniversary of the great eighteenth-century Swiss mathematician, Leonhard Euler (1707-1783), we begin by remarking about the so-called Basler problem of evaluating the Zeta function ${\zeta}(s)$ [in the much later notation of Georg Friedrich Bernhard Riemann (1826-1866)] when s=2, which was then of vital importance to Euler and to many other contemporary mathematicians including especially the Bernoulli brothers [Jakob Bernoulli (1654-1705) and Johann Bernoulli (1667-1748)], and for which a fascinatingly large number of seemingly independent solutions have appeared in the mathematical literature ever since Euler first solved this problem in the year 1736. We then investigate various recent developments on the evaluations and representations of ${\zeta}(s)$ when $s{\in}{\mathbb{N}}{\backslash}\;[1],\;{\mathbb{N}}$ being the set of natural numbers. We emphasize upon several interesting classes of rapidly convergent series representations for ${\zeta}(2n+1)(n{\in}{\mathbb{N}})$ which have been developed in recent years. In two of many computationally useful special cases considered here, it is observed that ${\zeta}(3)$ can be represented by means of series which converge much more rapidly than that in Euler's celebrated formula as well as the series used recently by Roger $Ap\'{e}ry$ (1916-1994) in his proof of the irrationality of ${\zeta}(3)$. Symbolic and numerical computations using Mathematica (Version 4.0) for Linux show, among other things, that only 50 terms of one of these series are capable of producing an accuracy of seven decimal places.
The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences
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v.4
no.3
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pp.236-242
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2009
When two-link flexible arm is rotated about an joint axis, transverse vibration may occur. In this paper, vibration dynamics of flexible robot arm is modeled by using Bernoulli-Euler beam theory and Lagrange equation. Using the fact that matrix $\dot{D}$-2C is skew symmetric, new controllers which have a simplified structure with less computational burden is proposed. Lyapunov stability theory is applied to achieve a stable deterministic nonlinear controller for the regulation of joint angle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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