The present study deals with the dynamics of the flapwise (out-of-plane) vibrations of a rotating, internally damped (Kelvin-Voigt model) tapered Bernoulli-Euler beam carrying a heavy tip mass. The centroid of the tip mass is offset from the free end of the beam and is located along its extended axis. The equation of motion and the corresponding boundary conditions are derived via the Hamilton's Principle, leading to a differential eigenvalue problem. Afterwards, this eigenvalue problem is solved by using Frobenius Method of solution in power series. The resulting characteristic equation is then solved numerically. The numerical results are tabulated for a variety of nondimensional rotational speed, tip mass, tip mass offset, mass moment of inertia, internal damping parameter, hub radius and taper ratio. These are compared with the results of a conventional finite element modeling as well, and excellent agreement is obtained.
Recent developments in concrete mixing made possible the production of concretes with high compressive strength showing, simultaneously, high workability. These concretes also present high strengths at young ages, allowing the application of loads sooner. It is of fundamental importance to verify if creep models developed for current concrete still apply to these new concretes. First, a FEM-based software was adopted to test available creep models, most used for normal strength concrete, considering examples with known analytical results. Several limitations were registered, resulting in an incorrect simulation of three-dimensional creep. Afterwards, it was implemented a Kelvin-chain algorithm allowing the use of a chosen number of elements, which adequately simulated the adopted examples. From the comparison between numerical and experimental results, it was concluded that the adopted algorithm can be used to model creep of high strength concrete, if the material properties are previously experimentally assessed.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.13
no.4
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pp.458-467
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2012
In this study, the linear viscoelastic response of a rectangular laminated plate is investigated. The viscoelastic properties, expressed by two basic spring-dashpot models, that is Kelvin and Maxwell models, is assumed in the range to investigate the influence of viscoelastic coefficients to mechanical behavior. In the present study, viscoelastic responses are performed for two popular equivalent single-layered theories, such as the first-order shear deformation theory (FSDT) and third-order shear deformation theory (TSDT). Compliance and relaxation modulus of time-dependent viscoelastic behavior are approximately determined by Prony series. The constitutive equation for linear viscoelastic material as the Boltzmann superposition integral equation is simplified by the convolution theorem of Laplace transformation to avoid direct time integration as well as to improve both accuracy and computational efficiency. The viscoelastic responses of composite laminates in the real time domain are obtained by applying the inverse Laplace transformation. The numerical results of viscoelastic phenomena such as creep, cyclic creep and recovery creep are presented.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1992.04a
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pp.58-64
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1992
It is usual that underground structures are constructed within multi-layered medium. In this paper, an efficient numerical model ling of multi-layered structural systems is studied using coupled analysis of finite elements and boundary elements. The finite elements are applied to the area in which the material nonlinearity is dominated, and the boundary elements are applied to the far field area where the nonlinearity is relatively weak. In the boundary element model 1 ins of the multi-layered medium, fundamental solutions are restricted. Thus, methods which can utilize existing Kelvin and Melan solution are sought for the interior multi-layered domain problem and semi infinite domain problem. Interior domain problem which has piecewise homogeneous layers is analyzed using boundary elements with Kelvin solution; by discretizing each homogeneous subregion and applying compatibility and equilibrium conditions between interfaces. Semi-infinite domain problem is analyzed using boundary elements with Melan solution, by superposing unit stiffness matrices which are obtained for each layer by enemy method. Each methodology is verified by comparing its results which the results from the finite element analysis and it is concluded that coupled analysis using boundary elements and finite elements can be reasonable and efficient if the superposition technique is applied for the multi-layered semi-infinite domain problems.
Nasab, Mohammad Seddiq Eskandari;Chun, Seungho;Kim, Jinkoo
Steel and Composite Structures
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v.43
no.2
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pp.153-164
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2022
In this study, a series of cyclic loading tests were performed on viscoelastic dampers (VED) composed of viscoelastic polymer composite material and thin steel plates to observe the variation of the mechanical properties under different loading conditions. A mathematical model was developed based on the Kelvin-Voigt and Bouc-Wen models to formulate the nonlinear force-displacement relationship of the viscoelastic damper. The accuracy of the proposed mathematical model was verified using the data obtained from the tests. The mathematical model was applied to analyze a reinforced concrete framed structure retrofitted with viscoelastic dampers. Nonlinear dynamic analysis results showed that the average maximum inter-story drift ratios of the retrofitted structure met the target limit state after installing the VED. In addition, both the maximum and residual displacements were significantly reduced after the installation of the VED.
In this paper, the effect of material-temperature dependent on the wave propagation of a cantilever beam composed of functionally graded material (FGM) under the effect of an impact force is investigated. The beam is excited by a transverse triangular force impulse modulated by a harmonic motion. Material properties of the beam are temperature-dependent and change in the thickness direction. The Kelvin-Voigt model for the material of the beam is used. The considered problem is investigated within the Euler-Bernoulli beam theory by using energy based finite element method. The system of equations of motion is derived by using Lagrange's equations. The obtained system of linear differential equations is reduced to a linear algebraic equation system and solved in the time domain and frequency domain by using Newmark average acceleration method. In order to establish the accuracy of the present formulation and results, the comparison study is performed with the published results available in the literature. Good agreement is observed. In the study, the effects of material distributions and temperature rising on the wave propagation of the FGM beam are investigated in detail.
Forced vibration analysis of a cracked functionally graded microbeam is investigated by using modified couple stress theory with damping effect. Mechanical properties of the functionally graded beam change vary along the thickness direction. The crack is modelled with a rotational spring. The Kelvin-Voigt model is considered in the damping effect. In solution of the dynamic problem, finite element method is used within Timoshenko beam theory in the time domain. Influences of the geometry and material parameters on forced vibration responses of cracked functionally graded microbeams are presented.
This paper investigates the effect of dual-phase-lags on a thermoviscoelastic orthotropic solid with a cylindrical cavity. The cylindrical cavity is subjected to a thermal shock varying heat and its material is taken to be of Kelvin-Voigt type. The phase-lag thermoelastic model, Lord and Shulman's model and the coupled thermoelasticity model are employed to study the thermomechanical coupling, thermal and mechanical relaxation (viscous) effects. Numerical solutions for temperature, displacement and thermal stresses are obtained by using the method of Laplace transforms. Numerical results are plotted to illustrate the effect phase-lags, viscoelasticity, and the variability thermal conductivity parameter on the studied fields. The variations of all field quantities in the context of dual-phase-lags and coupled thermoelasticity models follow similar trends while the Lord and Shulman's model may be different. The influence of viscosity parameter and variability of thermal conductivity is very pronounced on temperature and thermal stresses of the thermoviscoelastic solids.
Forced vibration analysis of a simple supported viscoelastic nanobeam is studied based on modified couple stress theory (MCST). The nanobeam is excited by a transverse triangular force impulse modulated by a harmonic motion. The elastic medium is considered as Winkler-Pasternak elastic foundation.The damping effect is considered by using the Kelvin-Voigt viscoelastic model. The inclusion of an additional material parameter enables the new beam model to capture the size effect. The new non-classical beam model reduces to the classical beam model when the length scale parameter is set to zero. The considered problem is investigated within the Timoshenko beam theory by using finite element method. The effects of the transverse shear deformation and rotary inertia are included according to the Timoshenko beam theory. The obtained system of differential equations is reduced to a linear algebraic equation system and solved in the time domain by using Newmark average acceleration method. Numerical results are presented to investigate the influences the material length scale parameter, the parameter of the elastic medium and aspect ratio on the dynamic response of the nanobeam. Also, the difference between the classical beam theory (CBT) and modified couple stress theory is investigated for forced vibration responses of nanobeams.
Asiri, Saeed A.;Akbas, Seref D.;Eltaher, Mohamed A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.75
no.6
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pp.713-722
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2020
This article aims to illustrate the damped dynamic responses of layered functionally graded (FG) thick 2D beam under dynamic pulse sinusoidal load by using finite element method, for the first time. To investigate the response of thick beam accurately, two-dimensional plane stress problem is assumed to describe the constitutive behavior of thick beam structure. The material is distributed gradually through the thickness of each layer by generalized power law function. The Kelvin-Voigt viscoelastic constitutive model is exploited to include the material internal damping effect. The governing equations are obtained by using Lagrange's equations and solved by using finite element method with twelve -node 2D plane element. The dynamic equation of motion is solved numerically by Newmark implicit time integration procedure. Numerical studies are presented to illustrate stacking sequence and material gradation index on the displacement-time response of cantilever beam structure. It is found that, the number of waves increases by increasing the graduation distribution parameter. The presented mathematical model is useful in analysis and design of nuclear, marine, vehicle and aerospace structures those manufactured from functionally graded materials (FGM).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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