Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.71-81
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2008
This paper proposes a spectral element which can represent dynamic responses in high frequency domain such as Lamb waves on a thin plate. A two layer beam model under 2-D plane strain condition is introduced to simulate high-frequency dynamic responses induced by piezoelectric layer (PZT layer) bonded on a base plate. In the two layer beam model, a PZT layer is assumed to be rigidly bonded on a base beam. Mindlin-Herrmann and Timoshenko beam theories are employed to represent the first symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes on a base plate, respectively. The Bernoulli beam theory and 1-D linear piezoelectricity are used to model the electro-mechanical behavior of a PZT layer. The equations of motions of a two layer beam model are derived through Hamilton's principle. The necessary boundary conditions associated with electro mechanical properties of a PZT layer are formulated in the context of dual functions of a PZT layer as an actuator and a sensor. General spectral shape functions of response field and the associated boundary conditions are formulated through equations of motions converted into frequency domain. A detailed spectrum element formulation for composing the dynamic stiffness matrix of a two layer beam model is presented as well. The validity of the proposed spectral element is demonstrated through comparison results with the conventional 2-D FEM and the previously developed spectral elements.
The tension of an arch bridge hanger is estimated using a number of experimentally identified modal frequencies. The hanger is connected through metallic plates to the bridge deck and arch. Two different categories of model classes are considered to simulate the vibrations of the hanger: an analytical model based on the Euler-Bernoulli beam theory, and a high-fidelity finite element (FE) model. A Bayesian parameter estimation and model selection method is used to discriminate between models, select the best model, and estimate the hanger tension and its uncertainty. It is demonstrated that the end plate connections and boundary conditions of the hanger due to the flexibility of the deck/arch significantly affect the estimate of the axial load and its uncertainty. A fixed-end high fidelity FE model of the hanger underestimates the hanger tension by more than 20 compared to a baseline FE model with flexible supports. Simplified beam models can give fairly accurate results, close to the ones obtained from the high fidelity FE model with flexible support conditions, provided that the concept of equivalent length is introduced and/or end rotational springs are included to simulate the flexibility of the hanger ends. The effect of the number of experimentally identified modal frequencies on the estimates of the hanger tension and its uncertainty is investigated.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.26
no.3
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pp.281-289
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2016
In this paper, a new dynamic model for modal analysis of a rotating cantilever beam with a tip-mass is developed. The nonlinear strain such as von Karman type and the corresponding linearized stress are used to consider the geometric nonlinearity, and Euler-Bernoulli beam theory is applied in the present model. The nonlinear equations of motion and the associated boundary conditions which include the inertia of the tip-mass are derived through Hamilton's principle. In order to investigate modal characteristics of the present model, the linearized equations of motion in the neighborhood of the equilibrium position are obtained by using perturbation technique to the nonlinear equations. Since the effect of the tip-mass is considered to the boundary condition of the flexible beam, weak forms are used to discretize the linearized equations. Compared with equations related to stiffening effect due to centrifugal force of the present and the previous model, the present model predicts the dynamic characteristic more precisely than the another model. As a result, the difference of natural frequencies loci between two models become larger as the rotating speed increases. In addition, we observed that the mode veering phenomenon occurs at the certain rotating speed.
A finite element (FE) model for analyzing slender reinforced high-strength concrete (HSC) columns under biaxial eccentric loading is formulated in terms of the Euler-Bernoulli theory. The cross section of columns is divided into discrete concrete and reinforcing steel fibers so as to account for varied material properties over the section. The interaction between axial and bending fields is introduced in the FE formulation so as to take the large-displacement or P-delta effects into consideration. The proposed model aims to be simple, user-friendly, and capable of simulating the full-range inelastic behavior of reinforced HSC slender columns. The nonlinear model is calibrated against the experimental data for slender column specimens available in the technical literature. By using the proposed model, a numerical study is carried out on pin-ended slender HSC square columns under axial compression and biaxial bending, with investigation variables including the load eccentricity and eccentricity angle. The calibrated model is expected to provide a valuable tool for more efficiently designing HSC columns.
In this paper we present methodology for parameters identification of constitutive model which is able to present behavior of a connection between two members in a structure. Such a constitutive model for frame connections can be cast in the most general form of the Timoshenko beam, which can present three failure modes. The first failure mode pertains to the bending in connection, which is defined as coupled plasticity-damage model with nonlinear softening. The second failure mode is seeking to capture the shearing of connection, which is defined as plasticity with linear hardening and nonlinear softening. The third failure mode pertains to the diffuse failure in the members; excluding it leads to linear elastic constitutive law. Theoretical formulation of this Timoshenko beam model and its finite element implementation are presented in the second section. The parameter identification procedure that will allow us to define eighteen unknown parameters is given in Section 3. The proposed methodology splits identification in three phases, with all details presented in Section 4 through three different examples. We also present the real experimental results. The conclusions are stated in the last section of the paper.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.13
no.11
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pp.132-142
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1996
This paper presents a technique to model and control a manipulator which has a flexible link and moves in a vertical plane. The flexible link is modeled as an Euler-Bernoulli Beam. Elastic deformation of the flexible link is represented using the assumed modes method. A comparison function which satisfies all geometric and natural boundary conditions of a cantilever beam with an end mass is used as an assumed mode shape. Lagrange's equation is utilized for the development of a discretized model. This paper presents a simple technique to improve the correctness of the developed model. The final model including the shortening effect due to elastic deformation correlates very well with experimental results. The free body motion simulation shows that two assumed modes for the representation of the elastic deformation is proper in terms of the model size and correctness. A control algorithm is developed using PID control technique. The proportional, integral and derivative control gains are determined based on dominant pole placement method with a rigid one-link manipulator. A position control simulation shows that the control algorithm can be used to control the position and residual oscillation of the flexible one-link manipulator effectively.
Reddya, A. Rami;Umapathy, M.;Ezhilarasib, D.;Uma, G.
Smart Structures and Systems
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v.16
no.4
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pp.623-640
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2015
This paper presents techniques to harvest higher voltage from piezoelectric cantilever energy harvester by structural alteration. Three different energy harvesting structures are considered namely, stepped cantilever beam, stepped cantilever beam with rectangular and trapezoidal cavity. The analytical model of three energy harvesting structures are developed using Euler-Bernoulli beam theory. The thickness, position of the rectangular cavity and the taper angle of the trapezoidal cavity is found to shift the neutral axis away from the surface of the piezoelectric element which in turn increases the generated voltage. The performance of the energy harvesters is evaluated experimentally and is compared with regular piezoelectric cantilever energy harvester. The analytical and experimental investigations reveal that, the proposed energy harvesting structures generate higher output voltage as compared to the regular piezoelectric cantilever energy harvesting structure. This work suggests that through simple structural modifications higher energy can be harvested from the widely reported piezoelectric cantilever energy harvester.
Belmahi, Samir;Zidour, Mohamed;Meradjah, Mustapha;Bensattalah, Tayeb;Dihaj, Ahmed
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.5
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pp.517-525
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2018
In this study, we investigate the vibration of single-walled carbon nanotubes embedded in a polymeric matrix using nonlocal elasticity theories with account arbitrary boundary conditions effects. A Winkler type elastic foundation is employed to model the interaction of nanobeam and the surrounding elastic medium. Influence of all parameters such as nonlocal small-scale effects, Winkler modulus parameter, vibration mode and aspect ratio of nanobeam on the vibration frequency are analyzed and discussed. The mechanical properties of carbon nanotubes and polymer matrix are treated and an analytical solution is derived using the governing equations of the nonlocal Euler-Bernoulli beam models. Solutions have been compared with those obtained in the literature and The results obtained show that the non-dimensional natural frequency is significantly affected by the small-scale coefficient, the vibrational mode number and the elastic medium.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.8
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pp.2123-2138
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1994
A study on the dynamic mechanical properties of the high strength carbon fiber epoxy composite beam was carried out. The macromechanical model was used for the theoretical analysis of the symmetric laminated composite beam. The anisotropic plate theory and Bernoulli-Euler beam theory were used to predict the effective flexural elastic modulus and the specific damping capacity of laminated composite beam. The free flexural vibration and torsional vibration tests were carried out to determine the specific damping capacities of the unidirectional laminated composite beam. The vibration tests were performed in a vacuum chamber with laser vibrometer system and electromagnetic hammer to obtain accurate experimental data. From the computational and experimental results, it was found that the theoretical values with the macromechanical analysis and the experimental data of symmetric laminated composite beam were in good agreement.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.11a
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pp.801-804
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2006
The purpose of this paper is to investigate the stability of stepped cantilever columns with a tip mass of rotatory inertia and a translational spring at one end. The column model is based on the Bernoulli-Euler theory which neglects the effects of rotatory inertia and shear deformation. The governing differential equation for the free vibration of columns with stepwise variable cross-section and subjected to a subtangential follower force is solved numerically using the corresponding boundary conditions. And the bisection method is used to calculate the critical divergence/flutter load. The frequency and critical divergence/flutter load for the stepped column with a single step are presented as functions of various non-dimensional system parameters: the segmental length parameter, the section ratio, the subtangential parameter, the mass, the moment of inertia of the mass, and the spring parameter.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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