KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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제29권6A호
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pp.617-624
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2009
This study deals with the free vibrations of the elastica shaped arch with linear taper. The shape of elastica is obtained from the Bernoulli-Euler beam theory. Differential equations governing free vibrations of such arch are derived and numerically solved to determine natural frequencies, in which three kinds of taper type and two kinds of end constraint, respectively, are considered. For validating the theories presented herein, the frequency parameters obtained in this study are compared to those of SAP 2000. As results of the numerical analyses, effects of end constraint, taper type, slenderness ratio and section ratio on the lowest four non-dimensional frequency parameters are extensively investigated.
In the present study, the nonlinear magneto-electro-mechanical free vibration behavior of rectangular double-bonded sandwich microbeams based on the modified strain gradient theory (MSGT) is investigated. It is noted that the top and bottom sandwich microbeams are considered with boron nitride nanotube reinforced composite face sheets (BNNTRC-SB) with electrical properties and carbon nanotube reinforced composite face sheets (CNTRC-SB) with magnetic fields, respectively, and also the homogenous core is used for both sandwich beams. The connections of every sandwich beam with its surrounding medium and also between them have been carried out by considering Pasternak foundations. To take size effect into account, the MSGT is introduced into the classical Timoshenko beam theory (CT) to develop a size-dependent beam model containing three additional material length scale parameters. For the CNTRC and BNNTRC face sheets of sandwich microbeams, uniform distribution (UD) and functionally graded (FG) distribution patterns of CNTs or BNNTs in four cases FG-X, FG-O, FG-A, and FG-V are employed. It is assumed that the material properties of face sheets for both sandwich beams are varied in the thickness direction and estimated through the extended rule of mixture. On the basis of the Hamilton's principle, the size-dependent nonlinear governing differential equations of motion and associated boundary conditions are derived and then discretized by using generalized differential quadrature method (GDQM). A detailed parametric study is presented to indicate the influences of electric and magnetic fields, slenderness ratio, thickness ratio of both sandwich microbeams, thickness ratio of every sandwich microbeam, dimensionless three material length scale parameters, Winkler spring modulus and various distribution types of face sheets on the first two natural frequencies of double-bonded sandwich microbeams. Furthermore, a comparison between the various beam models on the basis of the CT, modified couple stress theory (MCST), and MSGT is performed. It is illustrated that the thickness ratio of sandwich microbeams plays an important role in the vibrational behavior of the double-bonded sandwich microstructures. Meanwhile, it is concluded that by increasing H/lm, the values of first two natural frequencies tend to decrease for all amounts of the Winkler spring modulus.
To study the vibration characteristics of a high-speed railway continuous girder bridge-track coupling system (HSRCBT), a coupling vibration analysis model of an m-span continuous girder bridge-subgrade-track system with n-span approach bridge was established. The model was based on the energy and its variational method, where both the interlaminar slip and shear deformation effects were considered. In addition, the free vibration equations and natural boundary conditions of the HSRCBT were derived. Further, according to the coordination principle of deformation and mechanics, an analytical method for calculating the natural vibration frequencies of the HSRCBT was obtained. Three typical bridge-subgrade-track coupling systems of high-speed railway were taken and the results of finite element analysis were compared to those of the analytical method. The errors between the simulation results and calculated values of the analytical method were less than 3%, thus verifying the analytical method proposed in this paper. Finally, the analytical method was used to investigate the influence of the number of the approach bridge spans and the interlaminar stiffness on the natural vibration characteristics of the HSRCBT based on the degree of sensitivity. The results suggest the approach bridges have a critical number of spans and in general, the precision requirements of the analysis could be met by using 6-span approach bridges. The interlaminar vertical compressive stiffness has very little influence on the low-order natural vibration frequency of HSRCBT, but does have a significant influence on higher-order natural vibration frequency. As the interlaminar vertical compressive stiffness increases, the degree of sensitivity to interlaminar stiffness of each of the HSRCBT natural vibration characteristics decrease and gradually approach zero.
Lee, Byoung Koo;Park, Kwang Kyou;Kang, Hee Jong;Yoon, Hee Min
Journal of Korean Society of Steel Construction
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제19권5호
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pp.539-548
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2007
This paper deals with flexural-torsional free vibrations of the circular strip foundation with the variable breadth on Pasternak soil. The cross-section of the strip foundation is chosen as the rectangular one with the constant thickness and variable breadth, which is symmetrical about the mid-arc. Also, the foundation that supports the circular strip is modeled as the Pasternak soil with the shear layer. Ordinary differential equations accompanying the boundary conditions are derived. In the governing equations, the transverse, rotatory and torsional inertias are included. These equations are solved numerically and four lowest frequencies are obtained. In the numerical results, the effects of foundation parameters on frequencies are extensively investigated. It is expected that the theories and numerical results of this study can be used in the dynamic design of strip foundations.
Natural vibration of truss cable structures is analyzed based upon the general structural analysis software ANSYS, energy variational method and Rayleigh method, the calculated results of three methods are compared, from which the characteristics of free-vibration are obtained. Moreover, vertical seismic response analysis of truss cable structures is carried out via time-history method. Introducing three natural earthquake waves calculated the results including time-history curve of vertical maximal displacement, time-history curve of maximal internal force. Variation curve of maximal displacement of node along span, and variation curve of maximal internal force of member along span are presented. The results show the formulas of frequencies for truss cable structures obtained by energy variational method are of high accuracy. Furthermore, the maximal displacement and the maximal internal force occur near the 1/5 span point. These provide convenient and simple design method for practical engineering.
In this paper, the thermal effect on buckling and free vibration characteristics of functionally graded (FG) size-dependent Timoshenko nanobeams subjected to an in-plane thermal loading are investigated by presenting a Navier type solution for the first time. Material properties of FG nanobeam are supposed to vary continuously along the thickness according to the power-law form and the material properties are assumed to be temperature-dependent. The small scale effect is taken into consideration based on nonlocal elasticity theory of Eringen. The nonlocal equations of motion are derived based on Timoshenko beam theory through Hamilton's principle and they are solved applying analytical solution. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling can provide accurate frequency results of the FG nanobeams as compared to some cases in the literature. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as thermal effect, material distribution profile, small scale effects, aspect ratio and mode number on the critical buckling temperature and normalized natural frequencies of the temperature-dependent FG nanobeams in detail. It is explicitly shown that the thermal buckling and vibration behaviour of a FG nanobeams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FG nanobeams.
In this study, the thermal loading effect on free vibration characteristics of carbon nanotubes (CNTs) with multiple cracks is studied. Various boundary conditions for nanotube are taken in to account. In order to take the small scale effect, the nonlocal elasticity of Eringen is employed in the framework of Euler-Bernoulli beam theory. This theory states that the stress at a reference point is a function of strains at all points in the continuum. A cracked nanotube is assumed to be consisted of two segments that are connected by a rotational spring which is located in the position of the cracked section. Hamilton's principle is used to achieve the governing equations. Influences of the nonlocal parameter, crack severity, temperature change and the number of cracks on the system frequencies are investigated. Also, it is found that at room or lower temperature the natural frequency for CNT decreases as the value of temperature change increases, while at temperature higher than room temperature the natural frequency of CNT increases as the value of temperature change increases. Various boundary conditions have been applied to the nanotube.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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한국소음진동공학회 2008년도 추계학술대회논문집
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pp.407-413
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2008
This paper investigates the dynamics of a HDD spindle system due to the change of FDBs. Flying height of the HDD spindle system is determined through the static analysis of the FDBs, and the stiffness and damping coefficients are calculated through the dynamic analysis of the FDBs. Free vibration characteristics and shock response of the HDD spindle system are analyzed by using the finite element method and the mode superposition method. Experimental modal test is also performed to verify the accuracy of the proposed method. This research shows that the stiffness coefficients of journal heating mostly affect the rocking frequencies because their magnitude are within the range of the stiffness of supporting structure. It also shows that the damping coefficients of thrust bearing mostly affect the axial frequency because the stiffness of thrust bearing is much smaller that that of supporting structure.
This paper investigates free vibration characteristics of a rotating functionally graded (FG) beam in hygro environments. In the present study, material properties of the FG beam vary continuously through thickness direction according to the power-law which approximates material properties of FG beam. The governing differential equations of motion are derived based on Euler-Bernoulli beam theory and using the Hamilton's principle which solved utilizing a semi-analytical technique called the Differential Transform Method (DTM). In order to verify the competency and accuracy of the current analysis, a comparative study with previous researches are performed and good agreement is observed. Influences of Several important parameters such as power-law exponent, hygro environment, rotational speed and slenderness ratio on natural frequencies are investigated and discussed in detail. It is concluded that these effects play significant role on dynamic behavior of rotating FG beam in the hygro environments. Numerical results are tabulated in several tables and figures that can be serving as benchmarks for future analyses of rotating FG beams in the hygro environments.
In this study, free vibration and damping behaviors of multilayered symmetric sandwich beams and single layered beams made of Functionally Graded Materials were investigated, experimentally and numerically. The beams were composed of Aluminum and Silicon Carbide powders and they were produced by powder metallurgy. Three beam models were used in the experiments. The first model was isotropic, homogeneous beams produced by using different mixing ratios. In the second model, the pure metal layers were taken in the middle of the beam and the weight fraction of the ceramic powder of each layer was increased towards to the surfaces of the beam in the thickness direction. In the third model, the pure metal layers were taken in the surfaces of the beam and the weight fraction of the ceramic powder of each layer was increased towards to middle of the beam. Then the vibration tests were performed. Consequently, the effects of stacking sequence and mixing ratio on the natural frequencies and damping responses of functionally graded beams were discussed from the results obtained. Furthermore, the results obtained from the tests were supported with a finite-element-based commercial program, and it was found to be in harmony.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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