Flexible behaviors in new aerospace structures can lead to a degradation of their control and guidance system and undesired performance. The objectives of the current work are to analyze the vibration resulting from the propulsion force on a Single Stage to Orbit (SSTO) launch vehicle (LV). This is modeled as a follower force on a free-free Euler-Bernoulli beam consisting of two concentrated masses at the two free ends. Once the effects on the oscillation of the actuators are studied, a solution to reduce these oscillations will also be developed. To pursue this goal, the stability of the beam model is studied using Ritz method. It is determined that the transverse and rotary inertia of the concentrated masses cause a change in the critical follower force. A new dynamic model and an adaptive control system for an SSTO LV have been developed that allow the aerospace structure to run on its maximum bearable propulsion force with the optimum effects on the oscillation of its actuators. Simulation results show that such a control model provides an effective way to reduce the undesirable oscillations of the actuators.
In this study, the vibration of an electrostatically actuated micro cantilever beam is analyzed in which a viscoelastic layer covers a portion of the micro beam length. This proposed model is considered as the main element of mass and pollutant micro sensors. The nonlinear motion equation is extracted by means of Hamilton principle, considering nonlinear shortening effect for Euler-Bernoulli beam. The non-linear effects of electrostatic excitation, geometry and inertia have been taken into account. The viscoelastic model is assumed as Kelvin-Voigt model. The motion equation is discretized by Galerkin approach. The linear free vibration mode shapes of non-uniform micro beam i.e. the linear mode shape of the system by considering the geometric and inertia effects of viscoelastic layer, have been employed as comparison function in the process of the motion equation discretization. The discretized equation of motion is solved by the use of multiple scale method of perturbation theory and the results are compared with the results of numerical Runge-Kutta approach. The frequency response variations for different lengths and thicknesses of the viscoelastic layer have been founded. The results indicate that if a constant volume of viscoelastic layer is to be deposited on the micro beam for mass or gas sensor applications, then a modified configuration may be found by using the analysis of this paper.
The purpose of this paper is to study the geometrically nonlinear free vibration of functionally graded nano/micro beams (FGNBs) based on the modified couple stress theory. For practical applications, some analytical expressions of nonlinear frequencies for FGNBs on a nonlinear Pasternak foundation are developed. Hamilton's principle is employed to obtain nonlinear governing differential equations in the context of both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories for a comprehensive investigation. The modified continuum theory contains one material length scale parameter to capture the size effect. The variation of two-constituent material along the thickness is modeled using Reddy's power-law. Also, the Mori-Tanaka method as an accurate homogenization technique is implemented to estimate the effective material properties of the FGNBs. The results are presented for both hinged-hinged and clamped-clamped boundary conditions. The nonlinear partial differential equations are reduced to ordinary differential equations using Galerkin method and then the powerful method of homotopy analysis is utilized to obtain the semi-analytical solutions. Eventually, the presented analytical expressions are used to examine the influences of the length scale parameter, material gradient index, and elastic foundation on the nonlinear free vibration of FGNBs.
The purpose of this research is to study the nonlinear free vibration and post-buckling analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) beams resting on a nonlinear elastic foundation. Uniformly and functionally graded distributions of single walled carbon nanotubes as reinforcing phase are considered in the polymeric matrix. The modified form of rule of mixture is used to estimate the material properties of CNTRC beams. The governing equations are derived employing Euler-Bernoulli beam theory along with energy method and Hamilton's principle. Applying von $K\acute{a}rm\acute{a}n's$ strain-displacement assumptions, the geometric nonlinearity is taken into consideration. The developed governing equations with quadratic and cubic nonlinearities are solved using variational iteration method (VIM) and the analytical expressions and numerical results are obtained for vibration and stability analysis of nanocomposite beams. The presented comparative results are indicative for the reliability, accuracy and fast convergence rate of the solution. Eventually, the effects of different parameters, such as foundation stiffness, volume fraction and distributions of carbon nanotubes, slenderness ratio, vibration amplitude, coefficients of elastic foundation and boundary conditions on the nonlinear frequencies, vibration response and post-buckling loads of FG-CNTRC beams are examined. The developed analytical solution provides direct insight into parametric studies of particular parameters of the problem.
The effect of central axial load on natural frequencies of various thin-walled beams, are investigated by some researchers using different methods such as finite element, transfer matrix and dynamic stiffness matrix methods. However, there are situations that the load will be off centre. This type of loading is called eccentric load. The effect of the eccentricity of axial load on the natural frequencies of asymmetric thin-walled beams is a subject that has not been investigated so far. In this paper, the mentioned effect is studied using exact dynamic stiffness matrix method. Flexure and torsion of the aforesaid thin-walled beam is based on the Bernoulli-Euler and Vlasov theories, respectively. Therefore, the intended thin-walled beam has flexural rigidity, saint-venant torsional rigidity and warping rigidity. In this paper, the Hamilton‟s principle is used for deriving governing partial differential equations of motion and force boundary conditions. Throughout the process, the uniform distribution of mass in the member is accounted for exactly and thus necessitates the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, in order to verify the accuracy of the presented theory, the numerical solutions are given and compared with the results that are available in the literature and finite element solutions using ABAQUS software.
The current study presents a new technique in the framework of the nonlocal elasticity theory for a comprehensive buckling analysis of Euler-Bernoulli nano-beams made up of bidirectional functionally graded material (BDFGM). The mechanical properties are considered by exponential and arbitrary variations for axial and transverse directions, respectively. The various circumstances including tapering, resting on two-parameter elastic foundation, step-wise or continuous variations of axial loading, various shapes of sections with various distribution laws of mechanical properties and various boundary conditions like the multi-span beams are taken into account. As far as we know, for the first time in the current work, the buckling analyses of BDFGM nano-beams are carried out under mentioned circumstances. The critical buckling loads and mode shapes are calculated by using energy method and a new technique based on calculus of variations and collocation method. Fast convergence and excellent agreement with the known data in literature, wherever possible, presents the efficiency of proposed technique. The effects of boundary conditions, material and taper constants, foundation moduli, variable axial compression and small-scale of nano-beam on the buckling loads and mode shapes are investigated. Moreover the analytical solutions, for the simpler cases are provided in appendices.
The present work pays emphasis on investigating the effect of different types of debonding on the bending behaviour of active sandwich beam, consisting of both extension and shear actuators. An active sandwich beam finite element is formulated by using Timoshenko's beam theory, characterized by first order shear deformation for the core and Euler-Bernoulli's beam theory for the top and bottom faces. The problem of debondings of extension actuator and face are dealt with by employing four-region model for inner debonding and three-region model for the edge debonding respectively. Displacement based continuity conditions are enforced at the interfaces of different regions using penalty method. Firstly, piezoelectric actuation of healthy sandwich beam is assessed through deflection analysis. Then the effect of actuators' debondings with different boundary conditions on bending behavior is computationally evaluated and experimentally clamped-free case is validated. The results generated will be useful to address the damage tolerant design procedures for smart sandwich beam structures with structural control and health monitoring applications.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.10
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pp.3186-3198
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1996
When a robot is to have contact with its enviornment, such as a medi-care robot, it would be advantageous for the robot to have a high compliance. For this reason, a robot having not only a flexible link but also an actuator with compliance, is desirable. This paper is concerned with the position and vibration control of 1 degree of freedom flexible robot using a pneumatic artificial muscle actuator. The dynamics of the manipulator assumed to be and Euler-Bernoulli beam are derived on the basis of the linear mathematical modle. Although this pneumatic artifical muscle actuator has many merits for the compliance robot, it is difficult to make an effective control scheme of this system because of ths nonlinearity and uncertainty on the dynamics of the actuator. By designing a controller using .mu.-synthesis, robust performance against measurement noise, various modeling uncertainties on the dynamics of the servo valve, actuator and mainpulator, is achieved. The effectiveness of the proposed control method is illustrated through simulations and experiments.
Park, Sang-Deok;Jeong, Wan-Gyun;Yeom, Yeong-Il;Lee, Jae-Won
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.23
no.11
s.170
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pp.1940-1951
/
1999
In this paper, the equations of motion of a Bernoulli-Euler cantilever beam fixed on a moving cart and carrying a lumped mass concentrated at an arbitrary position along the beam is derived. The motion of the beam-mass-cart system is analyzed through unconstrained modal analysis, and a unified characteristic equation for calculating the natural frequencies of the system is obtained. The changes of natural frequencies and the corresponding mode shapes with respect to the changes in mass ratios of the system and to the concentrated position of the lumped mass are investigated with the frequency equation, which can be generally applied to this kind of systems. The exact and assumed-mode solutions including the dynamics of the base cart are obtained, and the open-loop responses of the system by arbitrarily designed forcing function are given by numerical simulations. The results match well with physical phenomena even at the extreme cases where the concentrated mass is attached to the bottom and to the top of the beam.
This paper, which is an extension of a previous work by Viola et al. (2002), deals with the dynamic stability of beams under a triangularly distributed sub-tangential forces when the effect of an elastically restrained end is taken into account. The sub-tangential forces can be realised by a combination of axial and tangential follower forces, that are conservative and non-conservative forces, respectively. The studied beams become unstable in the form of either flutter or divergence, depending on the degree of non-conservativeness of the distributed sub-tangential forces and the stiffness of the elastically restrained end. A non-conservative parameter ${\alpha}$ is introduced to provide all possible combinations of these forces. Problems of this kind are usually, at least in the first approximation, reduced to the analysis of beams according to the Bernoulli-Euler theory if shear deformability and rotational inertia are negligible. The equation governing the system may be derived from the extended form of Hamilton's principle. The stability maps will be obtained from the eigenvalue analysis in order to define the divergence and flutter domain. The passage from divergence to flutter is associated with a noticeable lowering of the critical load. A number of particular cases can be immediately recovered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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