Beam-like structures such as bridge, high building and tower, pipes, flexible connecting rods and some robotic manipulators are often excited by support motions. These structures are important in machines and structures. So, this study proposes an analytic method to accurately predict the dynamic behaviors of the structures during support motions or an earthquake. Using Timoshenko beam theory which is valid even for non-slender beams and for high-frequency responses, the analytic responses of fixed-fixed beams subjected to a real seismic motions at supports are illustrated to show the principled approach to the proposed method. The responses of a slender beam obtained by using Timoshenko beam theory are compared with the solutions based on Euler-Bernoulli beam theory to validate the correctness of the proposed method. The dynamic analysis for the fixed-fixed beam subjected to support motions gives useful information to develop an understanding of the structural behavior of the beam. The bending moment and the shear force of a slender beam are governed by dynamic components while those of a stocky beam are governed by static components. Especially, the maximal magnitudes of the bending moment and the shear force of the thick beam are proportional to the difference of support displacements and they are influenced by the seismic wave velocity.
The aim of this study is to calculate natural frequencies and harmonic responses of cracked frames with general boundary conditions by using transfer matrix method (TMM). The TMM is a straightforward technique to obtain harmonic responses and natural frequencies of frame structures as the method is based on constructing a relationship between state vectors of two ends of structure by a chain multiplication procedure. A single variable shear deformation theory (SVSDT) is applied, as well as, Timoshenko beam theory (TBT) and Euler-Bernoulli beam theory (EBT) for comparison purposes. Firstly, free vibration analysis of intact and cracked frames are performed for different crack ratios using TMM. The crack is modelled by means of a linear rotational spring that divides frame members into segments. The results are verified by experimental data and finite element method (FEM) solutions. The harmonic response curves that represent resonant and anti-resonant frequencies directly are plotted for various crack lengths. It is seen that the TMM can be used effectively for harmonic response analysis of cracked frames as well as natural frequencies calculation. The results imply that the SVSDT is an efficient alternative for investigation of cracked frame vibrations especially with thick frame members. Moreover, EBT results can easily be obtained by ignoring shear deformation related terms from governing equation of motion of SVSDT.
The theories having been developed thus far account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam. A shear correction factor, therefore, is not required. In this paper, the effect of surface on the axial buckling and free vibration of nanobeams is studied using various refined higher-order shear deformation beam theories. Furthermore, these theories have strong similarities with Euler-Bernoulli beam theory in aspects such as equations of motion, boundary conditions, and expressions of the resultant stress. The equations of motion and boundary conditions were derived from Hamilton's principle. The resultant system of ordinary differential equations was solved analytically. The effects of the nanobeam length-to-thickness ratio, thickness, and modes on the buckling and free vibration of the nanobeams were also investigated. Finally, it was found that the buckling and free vibration behavior of a nanobeam is size-dependent and that surface effects and surface energy produce significant effects by increasing the ratio of surface area to bulk at nano-scale. The results indicated that surface effects influence the buckling and free vibration performance of nanobeams and that increasing the length-to-thickness increases the buckling and free vibration in various higher-order shear deformation beam theories. This study can assist in measuring the mechanical properties of nanobeams accurately and designing nanobeam-based devices and systems.
A new non-linear of a straight pipe conveying fluid is presented for vibration analysis when the pipe is fixed at both ends. Using the Euler-Bernoulli beam theory and the non-linear Lagrange strain theory, from the extended Hamilton's principle are derived the coupled non-linear equations of motion for the longitudinal and transverse displacements. These equations of motion for are discretized by using the Galerkin method. After the discretized equations are linearized in the neighbourhood of the equilibrium position, the natural frequencies are computed from the linearized equations. On the other hand, the time histories for the displacements are also obtained by applying the $generalized-{\alpha}$ time integration method to the non-linear discretized equations. The validity of the new modeling is provided by comparing results from the proposed non-linear equations with those from the equations proposed by $Pa{\ddot{i}}dousis$.
Using two different, but related approaches, an exact dynamic stiffness matrix for a two-part beam-mass system is developed from the free vibration theory of a Bernoulli-Euler beam. The first approach is based on matrix transformation while the second one is a direct approach in which the kinematical conditions at the interfaces of the two-part beam-mass system are satisfied. Both procedures allow an exact free vibration analysis of structures such as a plane or a space frame, consisting of one or more two-part beam-mass systems. The two-part beam-mass system described in this paper is essentially a structural member consisting of two different beam segments between which there is a rigid mass element that may have rotatory inertia. Numerical checks to show that the two methods generate identical dynamic stiffness matrices were performed for a wide range of frequency values. Once the dynamic stiffness matrix is obtained using any of the two methods, the Wittrick-Williams algorithm is applied to compute the natural frequencies of some frameworks consisting of two-part beam-mass systems. Numerical results are discussed and the paper concludes with some remarks.
This contribution presents an extended one-dimensional theory for piezoelectric beam-type structures with non-ideal electrodes. For these types of electrodes the equipotential area condition is not satisfied. The main motivation of our research is originated from passive vibration control: when an elastic structure is covered by several piezoelectric patches that are linked via resistances and inductances, vibrational energy is efficiently dissipated if the electric network is properly designed. Assuming infinitely small piezoelectric patches that are connected by an infinite number of electrical, in particular resistive and inductive elements, one obtains the Telegrapher's equation for the voltage across the piezoelectric transducer. Embedding this outcome into the framework of Bernoulli-Euler, the final equations are coupled to the wave equations for the longitudinal motion of a bar and to the partial differential equations for the lateral motion of the beam. We present results for the wave propagation of a longitudinal bar for several types of electrode properties. The frequency spectra are computed (phase angle, wave number, wave speed), which point out the effect of resistive and inductive electrodes on wave characteristics. Our results show that electrical damping due to the resistivity of the electrodes is different from internal (=strain velocity dependent) or external (=velocity dependent) mechanical damping. Finally, results are presented, when the structure is excited by a harmonic single force, yielding that resistive-inductive electrodes are suitable candidates for passive vibration control that might be of great interest for practical applications in the future.
Zemri, Amine;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.4
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pp.693-710
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2015
This paper presents a nonlocal shear deformation beam theory for bending, buckling, and vibration of functionally graded (FG) nanobeams using the nonlocal differential constitutive relations of Eringen. The developed theory account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the nanobeam, and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the nanobeam. A shear correction factor, therefore, is not required. In addition, this nonlocal nanobeam model incorporates the length scale parameter which can capture the small scale effect and it has strong similarities with Euler-Bernoulli beam model in some aspects such as equations of motion, boundary conditions, and stress resultant expressions. The material properties of the FG nanobeam are assumed to vary in the thickness direction. The equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions are presented for a simply supported FG nanobeam, and the obtained results compare well with those predicted by the nonlocal Timoshenko beam theory.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2003.11a
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pp.356-359
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2003
This paper deals with a flat type ultrasonic motor, which uses a longitudinal-bending multi mode vibrator of rectangular form. This ultrasonic motor was designed by combination of the first longitudinal and eighth bending mode, and the motor consisted of a straight aluminum alloy bar bonded with piezoelectric ceramic elements as a driving element. The geometrical dimensions of the rectangular aluminum vibrator were determined by Euler-Bernoulli theory In the experimental device, piezoelectric ceramics ( a piece of ceramic for the L-mode, $24\;{\times}\;8\;{\times}\;1[mm]$, and four pieces for the B-mode, $12.5\;{\times}\;8\;{\times}\;1[mm]$) were attached to one side of a aluminum plate($100\;{\times}\;8\;{\times}\;1[mm]$), and the stator was supported with a plastic case. As results, no-load rpm was 50[rev./m] when applied voltage was 150[Vrms] at the resonance frequency, and as the voltage was increased, the rpm was increased.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.17
no.11
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pp.176-184
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2000
Recently, it becomes a very important issue to consider the mechanical systems such as high-speed vehicle and railway train moving on a flexible beam structure. Using general approach proposed in the first part of this paper, it tis possible to predict planar motion of constrained mechanical system and elastic structure with various kinds of foundation supporting condition. Combined differential-algebraic equations of motion derived from both multibody dynamics theory and Finite Element Method can be analyzed numerically using generalized coordinate partitioning algorithm. To verify the validity of this approach, results from simply supported elastic beam subjected to a moving load are compared with exact solution from a reference. Finally, parameter study is conducted for a moving vehicle model on a simply supported 3-span bridge.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.1
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pp.101-109
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2008
The stability of a rotating cantilever pipe conveying fluid with a crack and tip mass is investigated by the numerical method. That is, the effects of the rotating angular velocity, mass ratio, crack severity and tip mass on the critical flow velocity for flutter instability of system are studied. The equations of motion of rotating pipe are derived by using the Euler-Bernoulli beam theory and the extended Hamilton's principle. The crack section of pipe is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged pipe segments. Also, the crack is assumed to be in the first mode of fracture and always opened during the vibrations. When the tip mass and crack are constant, the critical flow velocity for flutter is proportional to the rotating angular velocity of pipe. In addition, the stability maps of the rotating pipe system as a rotating angular velocity and mass ratio ${\beta}$ are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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