Based on Hamilton's principle, the flexural vibration differential equations and boundary conditions of the steel-concrete composite beam (SCCB) with comprehensive consideration of the influences of the shear deformation, interface slip and longitudinal inertia of motion were derived. The analytical natural frequencies of flexural vibration were compared with available results previously observed by the experiments, the results calculated by the FE model and the other similar beam theories available in the open literatures. The comparison results showed that, the calculation results of the analytical and Timoshenko models had a good agreement with the results of the experimental test and FE model. Finally, the influences of shear deformation and interface slip on the flexural natural frequencies of the SCCB were discussed. The shear deformation effect increases with the increase of the mode orders of flexural natural vibration, and the flexural natural frequencies of the higher mode orders ignoring the influence of shear deformations effect would be overestimated. The interface slip effect decrease with the increase of the mode orders of flexural natural vibration, and the influence of the interface slip effect on flexural natural frequencies of the low mode orders is significant. The influence of the degree of shear connection on shear deformation effect is insignificant, and the low order modes of flexural natural vibration are mainly composed of the rotational displacement of cross sections.
An artificial neural network (ANN) application is presented for flexural and axial vibration analysis of elastic beams with various support conditions. The first three natural frequencies of beams are obtained using multi layer neural network based back-propagation error learning algorithm. The natural frequencies of beams are calculated for six different boundary conditions via direct solution of governing differential equations of beams and Rayleigh's approximate method. The training of the network has been made using these data only flexural vibration case. The trained neural network, however, had been tested for cantilever beam (C-F), and both end free (F-F) in case the axial vibration, and clamped-clamped (C-C), and Guided-Pinned (G-P) support condition in case the flexural vibrations which were not included in the training set. The results found by using artificial neural network are sufficiently close to the theoretical results. It has been demonstrated that the artificial neural network approach applied in this study is highly successful for the purposes of free vibration analysis of elastic beams.
The paper describes a theoretical study on the flexural vibration of an elastic rectangular plate with periodically nonuniform material properties. The approximate solution of the natural frequency and mode shape has been obtained using the perturbation technique for sinusoidal modulation of the flexural rigidity and mass density. It has been shown that distributed modes exist in the plate which Is a two-dimensional model of the flat panel speaker.
In this paper, a new and simplified method is presented in which the natural frequencies of the uniform and non-uniform beams are calculated through simple mathematical relationships. The various vibration problems such as: Rayleigh beam under variable axial force, axial vibration of a bar with and without end discrete spring, torsional vibration of a bar with an attached mass moment of inertia, flexural vibration of the beam with laterally distributed elastic springs and also flexural vibration of the beam with effects of viscose damping are investigated. The governing differential equations are first obtained and then; according to a harmonic vibration, are converted into single variable equations in terms of location. Through repetitive integrations, the governing equations are converted into weak form integral equations. The mode shape functions of the vibration are approximated using a power series. Substitution of the power series into the integral equations results in a system of linear algebraic equations. The natural frequencies are determined by calculation of a non-trivial solution for system of equations. The efficiency and convergence rate of the current approach are investigated through comparison of the numerical results obtained with those obtained from other published references and results of available finite element software.
Dynamic behavior of flexural-torsional coupled vibration of rotating beams using the Rayleigh-Ritz method with orthogonal polynomials as basis functions is studied. Performance of various orthogonal polynomials is compared to each other in terms of their efficiency and accuracy in determining the required natural frequencies. Orthogonal polynomials and functions studied in the present work are: Legendre, Chebyshev, integrated Legendre, modified Duncan polynomials, the special trigonometric functions used in conjunction with Hermite cubics, and beam characteristic orthogonal polynomials. A total of 5 cases of beam boundary conditions and rotation are studied for their natural frequencies. The obtained natural frequencies and mode shapes are compared to those available in various references and the results for coupled flexural-torsional vibrations are especially compared to both previously available references and with those obtained using NASTRAN finite element package. Among all the examined orthogonal functions, Legendre orthogonal polynomials are the most efficient in overall CPU time, mainly because of ease in performing the integration required for determining the stiffness and mass matrices.
The paper describes a theoretical study on the flexural vibration of an elastic rectangular plate with periodically nonuniform material properties. The approximate solution of the natural frequency and mode shape has been obtained using the perturbation technique for sinusoidal modulation of the flexural rigidity and mass density. It has been shown that distributed modes exist in the plate which is a two-dimensional model of the flat panel speaker.
A new non-destructive fatigue prediction model of the composite laminates is developed. The natural frequencies of fatigue-damaged laminates under extensional loading are related to the fatigue lift of the laminates by establishing the equivalent flexural stiffness reduction as a function of the elastic properties of sublaminates. The flexural stiffness is derived by relating the $90^{\circ}$-ply elastic modulus reduction, and using the laminate plate theory to the degraded elastic modulus and the intact elastic modulus of other laminate. The natural frequency reduction model, in which the dominant fatigue mode can be identified from the sensitivity scale factors of sublaminate elastic properties, provides natural frequency vs. fatigue cycle curves for the composite laminates. Vibration tests were also conducted on $[\textrm{90}_{2}\textrm{0}_{2}]_s$ carbon/epoxy laminates to verify the natural frequency reduction model. Correlations between the predictions of the model and experimental results are good.
Using appropriate transformations, the differential equation for flexural free vibration of a cantilever bar with variably distributed mass and stiffness is reduced to a Bessel's equation or an ordinary differential equation with constant coefficients by selecting suitable expressions, such as power functions and exponential functions, for the distributions of stiffness and mass. The general solutions for flexural free vibration of one-step bar with variable cross-section are derived and used to obtain the frequency equation of multi-step cantilever bars. The new exact approach is presented which combines the transfer matrix method and closed form solutions of one step bars. Two numerical examples demonstrate that the calculated natural frequencies and mode shapes of a 27-storey building and a television transmission tower are in good agreement with the corresponding experimental data. It is also shown through the numerical examples that the selected expressions are suitable for describing the distributions of stiffness and mass of typical tall buildings and high-rise structures.
An outline of the Timoshenko beam theory is presented. Two differential equations of motion in terms of deflection and rotation are comprised into single equation with deflection and analytical solutions of natural vibrations for different boundary conditions are given. Double frequency phenomenon for simply supported beam is investigated. The Timoshenko beam theory is modified by decomposition of total deflection into pure bending deflection and shear deflection, and total rotation into bending rotation and axial shear angle. The governing equations are condensed into two independent equations of motion, one for flexural and another for axial shear vibrations. Flexural vibrations of a simply supported, clamped and free beam are analysed by both theories and the same natural frequencies are obtained. That fact is proved in an analytical way. Axial shear vibrations are analogous to stretching vibrations on an axial elastic support, resulting in an additional response spectrum, as a novelty. Relationship between parameters in beam response functions of all type of vibrations is analysed.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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