The study deals with the vibration of a beam whose flexural and centroidal axes are not coincident. The elementary bending-twisting theory is employed to derive the equation of motion, in which the effects of rotary inertia are added to the bending displacements and the effects of warping are added to the twist. Bending translation is restricted to one direction so that one bending equation is used instead of two. The equations of motion are solved by using the boundary value problem. The exact natural frequencies are fund from the frequency equation, which is obtained from the condition that the homogeneous system of algebraic equations representing the spatial solution shall not yield a trivial solution. The orthogonal conditions are established, and the principal mode equations of forced vibration are derived. As an example, the cantilevered beam is chosen and the first some natural frequencies and their modal shapes are found.
In this article, the multiphysics response of magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam subjected to thermo-mechanical loading is analysed. The equilibrium equations of the system are obtained with the aid of the principle of total potential energy. The constitutive equations of a MEE material accounting the thermal fields are used for analysis. The corresponding finite element (FE) formulation is derived and model of the beam is generated using an eight noded 3D brick element. The 3D FE formulation developed enables the representation of governing equations in all three axes, achieving accurate results. Also, geometric, constitutive and loading assumptions required to dimensionality reduction can be avoided. Numerical evaluation is performed on the basis of the derived formulation and the influence of various mechanical loading profiles and volume fractions on the direct quantities and stresses is evaluated. In addition, an attempt has been made to compare the individual effect of thermal and mechanical loading with the combined effect. It is believed that the numerical results obtained helps in accurate design and development of sensors and actuators.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2014.10a
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pp.389-391
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2014
The Vibration Analysis of Rotating Inward Beams Considering The Tip-Mass is presented based on Euler-Bernoulli beam theory. The frequency equations, which are coupled through gyroscopic coupling terms, are calculated using hybrid deformation variable modeling along with the Rayleigh-Ritz assumed mode methods. In this study, resulting system of ordinary differential equations shows the effects of angular speed, and Young's modulus ratio. It is believed that the results will be a reference with which other researchers and commercial FE analysis program, ANSYS can compare their results.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2000.10a
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pp.369-376
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2000
For the general loading condition and boundary condition, it is very difficult to obtain closed-form solutions for buckling loads and natural frequencies of thin-walled structures because its behaviour is very complex due to the coupling effect of bending and torsional behaviour. Consequently most of previous finite element formulations introduced approximate displacement fields using shape functions as Hermitian polynomials, isoparametric interpoation function, and so on. The purpose of this study is to calculate the exact displacement field of a thin-walled straight beam element with the non-symmetric cross section and present a consistent derivation of the exact dynamic stiffness matrix. An exact dynamic element stiffness matrix is established from Vlasov's coupled differential equations for a uniform beam element of non-symmetric thin-walled cross section. This numerical technique is accomplished via a generalized linear eigenvalue problem by introducing 14 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. The natural frequencies are evaluated for the non-symmetric thin-walled straight beam structure, and the results are compared with available solutions in order to verify validity and accuracy of the proposed procedures.
The current seismic design code prescribes that coupling beam should be reinforced using diagonally bundled bars. However, the use of a diagonally bundled bars has a negative effect on constructability and economic efficiency. In the present study, the seismic performance of 4 coupling beams with the different details of reinforcement was evaluated through a cyclic reversal loading test. The specimens were constructed to measure the results of the experimental variable regarding the details of shear reinforcement. Next, the seismic performance of the coupled shear wall system evaluated by methods proposed in the FEMA P695. The cyclic reversal loading test results of this study showed that the performance of coupling beams with relaxed reinforcement detail was almost similar to that of a coupling beam with the ACI detail and meet the level which requested from standard. The result of the seismic evaluation showed that all coupling beams are satisfied with the design code and seismic performance.
We present a design and optical simulation of a cost-effective hybrid daylighting/LED system composed of mixing sunlight and light-emitting diode (LED) illumination powered by renewable solar energy for indoor lighting. In this approach, the sunlight collected by the concentrator is split into visible and non-visible rays by a beam splitter. The proposed sunlight collector consists of a Fresnel lens array. The non-visible rays are absorbed by the solar photovoltaic devices to provide electrical power for the LEDs. The visible rays passing through the beam splitters are coupled to a stepped thickness waveguide (STW) by tilted mirrors and confined by total internal reflection (TIR). LEDs are integrated at the end of the STW to improve the lighting quality. LEDs’ light and sunlight are mixed in the waveguide and they are coupled into an optical fiber bundle for indoor illumination. An optical sensor and lighting control system are used to control the LED light flow to ensure that the total output flux for indoor lighting is a fixed value when the sunlight is inadequate. The daylighting capacity was modeled and simulated with a commercial ray tracing software (LighttoolsTM). Results show that the system can achieve 63.8% optical efficiency at geometrical concentration ratio of 630. A required accuracy of sun tracking system achieved more than ±0.5o . Therefore, our results provide an important breakthrough for the commercialization of large scale optical fiber daylighting systems that are faced with challenges related to high costs.
Coupled shear walls are effective lateral force resisting system in which coupling beams link individual walls. For improving the energy dissipation capacity of coupling beams, diagonal reinforcement details were developed. However, it is difficult to construct diagonal reinforced coupling beams due to the congestion of reinforcement in the beam. For resolving the problem, this study developed precast coupling beams with bundled diagonal reinforcement. To reduce the reinforcement congestion, bundled diagonal reinforcement were placed in the coupling beam. To evaluate the cyclic performance of coupling beams with bundled diagonal reinforcement, experimental test were conducted. For this purpose, two slender specimens with an aspect ratio of 3.5 were made and tested. It was observed that the cyclic performance of the coupling beam with bundled diagonal reinforcement was similar with that of the coupling beam with normal diagonal reinforcement placed according to design code to ACI 318-11.
In this paper a boundary element method is developed for the general flexural-torsional buckling analysis of Timoshenko beams of arbitrarily shaped cross section. The beam is subjected to a compressive centrally applied concentrated axial load together with arbitrarily axial, transverse and torsional distributed loading, while its edges are restrained by the most general linear boundary conditions. The resulting boundary value problem, described by three coupled ordinary differential equations, is solved employing a boundary integral equation approach. All basic equations are formulated with respect to the principal shear axes coordinate system, which does not coincide with the principal bending one in a nonsymmetric cross section. To account for shear deformations, the concept of shear deformation coefficients is used. Six coupled boundary value problems are formulated with respect to the transverse displacements, to the angle of twist, to the primary warping function and to two stress functions and solved using the Analog Equation Method, a BEM based method. Several beams are analysed to illustrate the method and demonstrate its efficiency and wherever possible its accuracy. The range of applicability of the thin-walled theory and the significant influence of the boundary conditions and the shear deformation effect on the buckling load are investigated through examples with great practical interest.
Selected Papers of The Society of Naval Architects of Korea
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v.2
no.1
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pp.18-28
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1994
In the vibration analysis of submerged or floating bodies such as ships and offshore structures, the coupled system between fluid and structure should be considered using the compatibility conditions on the wetted surface. It is well known that the hydroelastic vibration analysis of structures in contact with fluid can be done by applying the finite element method(FEM) to structures and the boundary element method(BEM) to the fluid domain. However, such an approach is impractical due to the characteristics of the fully coupled added mass matrix of fluid on the entire wetted surface. To overcome this difficulty, an efficient approach based on a reanalysis scheme is proposed in this paper. The proposed method can be applied for cases of higher local modes and beam-like modes for which three-dimensional reduction factors are not known. The three dimensional reduction factors are not needled and thus the restrictions can be removed in the analyses of non-beam like modes or local vibration modes by considering fluid-structure interaction. The validity and calculation efficiency of the proposed method are proved through numerical examples.
Arjun Siddharth Mangalasseri;Vinyas Mahesh;Sriram Mukunda;Vishwas Mahesh;Sathiskumar A Ponnusami;Dineshkumar Harursampath;Abdelouahed Tounsi
Advances in nano research
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v.14
no.1
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pp.27-43
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2023
This article investigates the energy harvesting characteristics of a magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam reinforced with carbon nanotubes (CNT) under transverse vibration. To this end, the well-known lumped parameter model is used to represent the coupled multiphysics problem mathematically. The proposed system consists of the MEE-CNT layer on top and an inactive substrate layer at the bottom. The substrate is considered to be made of either an isotropic or composite material. Basic laws such as Gauss's Law, Newton's Law and Faraday's Law are used to arrive at the governing equations. Surface electrodes across the beam are used to harvest the electric potential produced, together with a wound coil, for the generated magnetic potential. The influence of various distributions of the CNT and its volume fraction, substrate material, length-to-thickness ratio, and thickness ratio of substrate to MEE layer on the energy harvesting behaviour is thoroughly discussed. Further, the effect of external resistances and changes in substrate material on the response is analysed and reported. The article aims to explore smart material-based energy harvesting systems, focusing on their behaviour when reinforced with carbon nanotubes. The results of this study may lead to an improved understanding of the design and analysis of CNT-based smart structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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