In this paper, the fractional order time-varying linear dynamical systems are investigated by using a residual power series method. A residual power series method (RPSM) is constructed for this problem. The exact solution is obtained by the Laplace transform method and the analytical solution is calculated via the residual power series method (RPSM). As an application, some examples are tested to show the accuracy and efficacy of the proposed methods. The obtained result showed that the proposed methods are effective and accurate for this type of problem.
Liu, Xinrong;Suliman, Lojain;Zhou, Xiaohan;Abd Elmageed, Ahmed
Geomechanics and Engineering
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제28권3호
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pp.225-237
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2022
Settlement evaluation is important for shallow tunnels in big cities to estimate the settlement that occurs due to the excavation of twin tunnels. The majority of earlier research on analytical solutions, on the other hand, concentrated on calculating the settlement for a single tunnel. This research introduces a procedure to evaluate the settlement induced by the excavation of twin tunnels (two parallel tunnels). In this study, a series of numerical analysis were performed to validate the analytical solution results. Two geological conditions were considered to derive the settlement depending on each case. The analytical and numerical methods were compared, which involved considering many sections and conducting a parametric study; the results have good agreement. Moreover, a comparison of the 3D flat model and 2D (FEM) with the analytical solution shows that in the fill soil, the maximum settlement values were obtained by the analytical solution. In contrast, the values obtained by the analytical solution in the rock is more conservative than those in the fill. Finally, this method was shown to be appropriate for twin tunnels dug side by side by utilizing finite element analysis 3D and 2D (PLAXIS 3D and PLAXIS 2D) to verify the analytical equations. Eventually, it will be possible to use this approach to predict settlement troughs over twin tunnels.
비대칭 트렌치 지형 위를 통과하는 장파의 해석 해를 유도하였다. 트렌치 내부의 수심은 트렌치 중심으로부터 거리의 멱에 비례하여 감소한다. 장파의 가정을 사용하여 지배 방정식인 완경사 방정식을 변수 계수를 갖는 이차 상미분 방정식으로 변환하였으며 멱급수를 이용하여 해석 해를 구하였다. 수치 모델과의 비교를 통하여 해석 해의 타당성을 확인하였다. 다양한 조건에서 해석 해를 계산하여 그 결과를 분석하였다.
In this paper the dynamic behavior of a viscoelastic Timoshenko beam subjected to a concentrated moving load are studied analytically and numerically. The viscoelastic properties of the beam obey the linear standard model in shear and incompressible in bulk. The governing equation for Timoshenko beam theory is obtained in viscoelastic form using the correspondence principle. The analytical solution is based on the Fourier series and the numerical solution is performed with finite element method. The effects of the material properties and the load velocity are investigated on the responses by numerical and analytical methods. In addition, the results are compared with the Euler beam results.
This paper deals with large deformation post-buckling of a linear-elastic and hygrothermal beam with axially nonmovable pinned-pinned ends and subjected to a significant increase in swelling by an alternative method. Analytical approximate solutions for the geometrically nonlinear problem are presented. The solution for the limiting case of a string is also obtained. By coupling of the well-known Maclaurin series expansion and orthogonal Chebyshev polynomials, the governing differential equation with sinusoidal nonlinearity can be reduced to form a cubic-nonlinear equation, and supplementary condition with cosinoidal nonlinearity can also be simplified to be a polynomial integral equation. Analytical approximations to the resulting boundary condition problem are established by combining the Newton's method with the method of harmonic balance. Two approximate formulae for load along axis, potential strain for free hygrothermal expansion and periodic solution are established for small as well as large angle of rotation at the end of the beam. Illustrative examples are selected and compared to "reference" solution obtained by the shooting method to substantiate the accuracy and correctness of the approximate analytical approach.
This article describes a simple method for generating the walking trajectory for the biped humanoid robot. The method used a simple inverted model instead of complex multi-mass model and a reasonable explanation for the model simplification is included. The problem of gait trajectory generation is to find the solution from the desired ZMP trajectory to CoG trajectory. This article presents the analytic solution for the bipedal gait generation on the bases of ZMP trajectory. The presented ZMP trajectory has Fourier series form, which has finite or infinite summation of sine and cosine functions, and ZMP trajectory can be designed by calculating the coefficients. From the designed ZMP trajectory, this article focuses on how to find the CoG trajectory with analytical way from the simplified inverted pendulum model. Time segmentation based approach is adopted for generating the trajectories. The coefficients of the function should be designed to be continuous between the segments, and the solution is found by calculating the coefficients with this connectivity conditions. This article also has the proof and the condition of solution existence.
Analytical solutions to problems are crucial because they provide high-quality comparison data for assessing the accuracy of numerical solutions. Benchmark analytical solutions for the vibrations of cracked functionally graded material (FGM) plates are not available in the literature because of the high level of complexity of such solutions. On the basis of first-order shear deformation plate theory (FSDT), this study proposes analytical series solutions for the vibrations of FGM rectangular plates with side or internal cracks parallel to an edge of the plates by using Fourier cosine series and the domain decomposition technique. The distributions of FGM properties along the thickness direction are assumed to follow a simple power law. The proposed analytical series solutions are validated by performing comprehensive convergence studies on the vibration frequencies of cracked square plates with various crack lengths and under various boundary condition combinations and by performing comparisons with published results based on various plate theories and the theory of three-dimensional elasticity. The results reveal that the proposed solutions are in excellent agreement with literature results obtained using the Ritz method on the basis of FSDT. The paper also presents tabulations of the first six nondimensional frequencies of cracked rectangular Al/Al2O3 FGM plates with various aspect ratios, thickness-to-width ratios, crack lengths, and FGM power law indices under six boundary condition combinations, the tabulated frequencies can serve as benchmark data for assessing the accuracy of numerical approaches based on FSDT.
By means of the two-dimensional basic equations of transversely isotropic magneto-electro-elastic media and the strict differential operator theorem, the general solution in the case of distinct eigenvalues is derived, in which all mechanical, electric and magnetic quantities are expressed in four harmonic displacement functions. Based on this general solution in the case of distinct eigenvalues, a series of problems is solved by the trial-and-error method, including magneto-electro-elastic rectangular beam under uniform tension, electric displacement and magnetic induction, pure shearing and pure bending, cantilever beam with point force, point charge or point current at free end, and cantilever beam subjected to uniformly distributed loads. Analytical solutions to various problems are obtained.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제40권5호
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pp.389-396
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2016
The theory of Fourier heat conduction predicts accurately the temperature profiles of a system in a non-equilibrium steady state. However, in the case of transient states at the nanoscale, its applicability is significantly limited. The limitation of the classical Fourier's theory was overcome by C. Cattaneo and P. Vernotte who developed the theory of non-Fourier heat conduction in 1958. Although this new theory has been used in various thermal science areas, it requires considerable mathematical skills for calculating analytical solutions. The aim of this study was the identification of a newer and a simpler type of solution for the hyperbolic partial differential equations of the non-Fourier heat conduction. This constitutes the first trial in a series of planned studies. By inspecting each term included in the proposed solution, the theoretical feasibility of the solution was achieved. The new analytical solution for the non-Fourier heat conduction is a simple exponential function that is compared to the existing data for justification. Although the proposed solution partially satisfies the Cattaneo-Vernotte equation, it cannot simulate a thermal wave behavior. However, the results of this study indicate that it is possible to obtain the theoretical solution of the Cattaneo-Vernotte equation by improving the form of the proposed solution.
In order to establish a theoretical basis for the analyses of transient behaviors in stratified thermal storage tanks, analytical approaches to an improved one-dimensional model are made. In the present model the storage tank is treated as a finite region with an adiabatic tank exit, whereas it has been considered as a simple semi-infinite region previously. Application of the Laplace transformation and the Inversion theorem to the governing equations makes it possible to obtain an exact infinite-series solution, which is convergent only at sufficiently large time. Accordingly a complementary solution which is available for short times, i.e., the time range of this study is sought by an approximate method. The approximate solution which is rigorously validated through the examination of neglected terms in the solution procedure agrees quite well with the exact one. Moreover, it is simpler to use and more convenient to interpret the physical meaning of the solution. Comparison of the present solution with the previous ones shows relatively large difference near the tank bottom, which results from the more realistic boundary condition adopted in the present model. Some representative results by the approximate solution including effects of the Peclet number on temperature distrbutions are illustrated to show the utility of this study. In consequence, it is expected that the present results based on the improved model replace the foregoing ones as a new theoretical reference for studies of thermal stratification fields.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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