This paper analytically investigates the free vibration analysis of functionally graded-carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) plates by dynamic stiffness method (DSM). The properties of CNTRC are determined with the extended rule of mixture. The governing differential equations of motion based on the first-order shear deformation theory of CNTRC plate are derived using Hamilton's principle. The FG-CNTRC plates are studied for a uniform and two different distributions of carbon nanotubes (CNTs). The accuracy and performance of the DSM are compared with the results obtained from closed closed-form and semi-analytical solution methods in previous studies. In this study, the effects of boundary condition, distribution type of CNTs, plate aspect ratio, plate length to thickness ratio, and different values of CNTs volume fraction on the natural frequencies of the FG-CNTRC plates are investigated. Finally, various natural frequencies of the plates in different conditions are provided as a benchmark for comparing the accuracy and precision of the other analytical and numerical methods.
This paper introduces a fast Fourier transform (FFT)-based spectral dynamic analysis method for the transient responses as well as the steady-state responses of the linear discrete systems subject to non-zero initial conditions. The forced vibration of a viscously damped three-DOF system is considered as the illustrative numerical example. The proposed spectral analysis method is evaluated by comparing its results with the exact analytical solutions and the numerical solutions obtained by the Runge-Kutta method.
In this paper, dynamic response of the horizontal concrete beam subjected to seismic ground excitation is investigated. The structure is reinforced by $Fe_2O_3$ nanoparticles which have the magnetic properties. The hyperbolic shear deformation beam theory (HSDBT) is used for mathematical modeling of the structure. Based on the Mori-Tanaka model, the effective material properties of concrete beam is calculated considering the agglomeration of $Fe_2O_3$ nanoparticles. Applying energy method and Hamilton's principle, the motion equations are derived. Harmonic differential quadrature method (HDQM) along with Newmark method is utilized for numerical solution of the motion equations. The effects of different parameters such as volume fraction and agglomeration of $Fe_2O_3$ nanoparticles, magnetic field, boundary conditions and geometrical parameters of concrete beam are studied on the dynamic response of the structure. In order to validation of this work, an exact solution is used for comparing the numerical and analytical results. The results indicated that applying magnetic field decreases the of the structure up to 54 percent. In addition, increase too much the magnetic field (Hx>5e8 A/m) does not considerable effect on the reduction of the maximum dynamic displacement.
The spectral element model is known to provide very accurate structural dynamic characteristics, while reducing the number of degree-of-freedom to resolve the computational and cost problems. Thus, the spectral element model with variational method for an axially moving Bernoulli-Euler beam subjected to axial tension is developed in the present paper. The high accuracy of the spectral element model is the verified by comparing its solutions with the conventional finite element solutions and exact analytical solutions. The effects of the moving speed and axial tension the vibration characteristics, wave characteristics, and the static and dynamic stabilities of a moving beam are investigated.
A spectral element method(SEM) is introduced for the vibration analysis of a rectangular plate subject to dynamic concentrated loads. First, the spectral plate element is derived from the relations between the forces and displacements along the two opposite edges of plate element. The global spectral matrix equation is then formulated by assembling two spectral plate elements so that the dynamic concentrated load is located at the connection nodal line between two plate elements. the concentrated load is then spatially Fourier transformed in the direction of the connection nodal line to transform the two-dimensional plate problem into a simplified equivalent one-dimensional beam-like problem. We may benefit from these procedures in that the spectral results from the present SEM is compared with the exact analytical solutions to prove the remarkable accuracy of the present SEM, while this is not true for conventional finite element solutions, especially at high frequency.
For the first time, an accurate analytical solution, based on coupled three-dimensional (3D) piezoelasticity equations, is presented for free vibration analysis of the angle-ply elastic and piezoelectric flat laminated panels under arbitrary boundary conditions. The present analytical solution is applicable to composite, sandwich and hybrid panels having arbitrary angle-ply lay-up, material properties, and boundary conditions. The modified Hamiltons principle approach has been applied to derive the weak form of governing equations where stresses, displacements, electric potential, and electric displacement field variables are considered as primary variables. Thereafter, multi-term multi-field extended Kantorovich approach (MMEKM) is employed to transform the governing equation into two sets of algebraic-ordinary differential equations (ODEs), one along in-plane (x) and other along the thickness (z) direction, respectively. These ODEs are solved in closed-form manner, which ensures the same order of accuracy for all the variables (stresses, displacements, and electric variables) by satisfying the boundary and continuity equations in exact manners. A robust algorithm is developed for extracting the natural frequencies and mode shapes. The numerical results are reported for various configurations such as elastic panels, sandwich panels and piezoelectric panels under different sets of boundary conditions. The effect of ply-angle and thickness to span ratio (s) on the dynamic behavior of the panels are also investigated. The presented 3D analytical solution will be helpful in the assessment of various 1D theories and numerical methods.
Recently, an indirect displacement estimation method using data fusion of acceleration and strain (i.e., acceleration-strain-based method) has been developed. Though the method showed good performance on beam-like structures, it has inherent limitation in applying to more general types of bridges that may have complex shapes, because it uses assumed analytical (sinusoidal) mode shapes to map the measured strain into displacement. This paper proposes an improved displacement estimation method that can be applied to more general types of bridges by building the mapping using the finite element model of the structure rather than using the assumed sinusoidal mode shapes. The performance of the proposed method is evaluated by numerical simulations on a deck arch bridge model and a three-span truss bridge model whose mode shapes are difficult to express as analytical functions. The displacements are estimated by acceleration-based method, strain-based method, acceleration-strain-based method, and the improved method. Then the results are compared with the exact displacement. An experimental validation is also carried out on a prestressed concrete girder bridge. The proposed method is found to provide the best estimate for dynamic displacements in the comparison, showing good agreement with the measurements as well.
Structural optimization often requires the evaluation of design sensitivities. The Semi Aanalytic method(SAM) for computing sensitivity is popular in shape optimization because this method has several advantages. But when relatively large rigid body motions are identified for individual elements, the SA method shows severe inaccuracy. In this paper, the improvement of design sensitivities corresponding to the rigid body mode is evaluated by exact differentiation of the rigid body modes. Moreover, the error of the SA method caused by numerical difference scheme is alleviated by using a series approximation for the sensitivity derivatives and considering the higher order terms. Finally, this paper shows that the refined SA method including the iterative method improves the results of sensitivity analysis in dynamic problems.
The so-called boundary node method (or NDIF method) that was developed by the authors has been extended for free vibration analysis of arbitrarily shaped plates with free edges. Since the proposed method is based on the collocation method, no integration procedure is needed on boundary edges of the plates and only a small amount of numerical calculation is required. A special coordinate transformation has been devised to consider the complicated free boundary conditions at boundary nodes. By the use of the special coordinate transformation, the radius of curvature involved in the free boundary conditions can be successfully dealt with. Finally, verification examples show that natural frequencies obtained by the present method agree well with those given by exact method and other analytical methods.
The use of frequency-dependent dynamic stiffness matrix (or spectral element matrix) in structural dynamics may provide very accurate solutions, while it reduces the number of degrees-of-freedom to improve the computational efficiency and cost problems. Thus, this paper develops a spectral element model for the thin plates moving with constant speed under uniform in-plane tension and gravity. The concept of Kantorovich method and the principle of virtual displacement is used in the frequency-domain to formulate the dynamic stiffness matrix. The present spectral element model is evaluated by comparing its solutions with the exact analytical solutions. The effects of moving speed, in-plane tension and gravity on the natural frequencies of the plate are numerically investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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