Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.14
no.3
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pp.371-379
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2001
This paper deals with the free vibrations of horizontally curved members resting on elastic foundations with continuity effect. Taking into account the effects of rotatory inertia and shear deformation, differential equations governing the free vibrations of such beams are derived, in which the Pasternak foundation model is considered as the elastic foundation with continuity effect. The differential equations are solved numerically to calculate natural frequencies and mode shapes. The experiments were performed in which the natural frequencies of such curved beams in laboratorial scale were measured and these results agree quite well with the present numerical studies. In numerical examples, the circular, parabolic, sinusoidal and elliptic curved members with the hinged-hinged, hinged-clamped and clamped end constraints are considered. The parametric studies are conducted and the lowest four frequency parameters are reported in tables and figures as the non-dimensional forms. Also the typical mode shapes are presented.
In this study, the vibration of an electrostatically actuated micro cantilever beam is analyzed in which a viscoelastic layer covers a portion of the micro beam length. This proposed model is considered as the main element of mass and pollutant micro sensors. The nonlinear motion equation is extracted by means of Hamilton principle, considering nonlinear shortening effect for Euler-Bernoulli beam. The non-linear effects of electrostatic excitation, geometry and inertia have been taken into account. The viscoelastic model is assumed as Kelvin-Voigt model. The motion equation is discretized by Galerkin approach. The linear free vibration mode shapes of non-uniform micro beam i.e. the linear mode shape of the system by considering the geometric and inertia effects of viscoelastic layer, have been employed as comparison function in the process of the motion equation discretization. The discretized equation of motion is solved by the use of multiple scale method of perturbation theory and the results are compared with the results of numerical Runge-Kutta approach. The frequency response variations for different lengths and thicknesses of the viscoelastic layer have been founded. The results indicate that if a constant volume of viscoelastic layer is to be deposited on the micro beam for mass or gas sensor applications, then a modified configuration may be found by using the analysis of this paper.
Sin, Young-Jae;Jy, Young-Chel;Yun, Jong-Hak;Yoo, Yeong-Chan
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.3
s.258
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pp.331-337
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2007
Rotating cantilever beams can be found in several practical engineering applications such as turbine blades and helicopter rotor blades. For reliable and economic design, it is necessary to estimate the dynamic characteristics of those structures accurately and efficiently since significant variation of dynamic characteristics resulted from rotational motion of the structures. Recently, Differential Transformation Method(DTM) was proposed by Zhou. This method has been applied to fluid dynamics and vibration problems, and has shown accuracy, efficiency and convenience in solving differential equations. The purpose of this study, the free vibration analysis of a rotating cantilever beam, is to seek for the reliable property of DTM and confidence in the results obtained by this method by comparing the results with that of finite element method applied to linear partial differential equations. In particular, this study is worked by supposing optional T-function values because the equations governing chordwise motion are based on two differential equations coupled with each other. This study also shows mode shapes of rotating cantilever beams for various rotating speeds.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.11
no.3
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pp.37-46
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1991
A method is developed for solving the natural frequencies and mode shapes of linearly variable tapered beams. The governing differential equation for the tapered beam is derived. Three kinds of cross sectional shape are considered in differential equation. The Runge-Kutta method and the determinant search method are used to perform the integration of the differential equation and to determine the natural frequencies, respectively. The hinged-hinged, hinged-clamped, damped-clamped and free-damped end constraints are investigated in numerical examples. The lowest four nondimensional natural frequencies are obtained as functions of $d_b/d_a$. ratio. The effects of end constraints and cross sectional shapes on frequencies are analyzed and typical mode shapes are also presented.
The differential equation governing both the free vibrations and buckling loads of tapered beam-columns of regular polygon cross-section with constant volume were derived and solved numerically. The parabolic and sinusoidl tapers were chosen as the variable depth of cross-section for the tapered beam-column. In numerical examples, the clamped-clamped, hinged-clamped and hinged-hinged end constraints were considered. The variations of frequency parameters and first buckling load parameters with the non-dimensional system parameters are reported in figures, and typical vibrating mode shapes are presented. Also, the configurations of strongest columns were determined.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.1A
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pp.191-203
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2006
The vibration characteristics of composite stiffened laminated plates with stiffener is presented using the assumed natural strain 9-node shell element. To compare with previous research, the stiffened plates are composed of carbon-epoxy composite laminate with a symmetric stacking sequence. Also, the result of the present shell model for the stiffener made of composite material is compared with that of the beam model. In the case of torsionally weak stiffener, a local buckling occurs in the stiffener. In this case, the stiffener should be idealized by using the shell elements. The current investigation concentrates upon the vibration analysis of rectangular stiffened and unstiffened composite plates when subjected to the in-plane compression and shear loads. The in-plane compression affect the natural frequencies and mode shapes of the stiffened laminated composite plates and the increase in magnitude of the in-plane compressive load reduces the natural frequencies, which will become zero when the in-plane load is equal to the critical buckling load of the plate. The natural frequencies of composite stiffened plates with shear loads exhibit the higher values than the case of without shear loads. Also, the intersection, between the curves of frequencies against in-plane loads, interchanges the sequence of some of the mode shapes as a result of the increase in the inplane compressive load. The results are compared with those available in the literature and this result shows that the present shell model for the stiffened plate gives more accurate results. Therefore, the magnitude, direction type of the in-plane shear and compressive loads in laminated composite stiffened plates should be selected properly to control the specific frequency and mode shape. The Lanczos method is employed to solve the eigenvalue problems.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.4
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pp.619-628
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2002
This paper deals with the FE analysis for the free vibration of sloshing in horizontal cylindrical tank with baffles. We use Laplace equation based on potential theory as governing equation. This problem is solved by FEM using lineal isoparametric elements. We assume that the tank as well as baffles is rigid body and by separating nodes into two at the baffle location, baffle effect is obtained by separating nodes into two at the baffle location. For the calculation of natural frequencies and mode shapes, we introduce Lanczos transformation and Jacobi iteration methods. Numerical results of the first longitudinal and transverse modes, while comparing with literature cited, are very good. In order for the baffle effects on the free vibration of sloshing, various combinations of baffle parameters, which are location, inner diameter and number, are examined.
The present paper studies the variation of the natural frequencies and mode shapes of rectangular plates carrying a three degree-of-freedom spring-mass system (subsystem), when the subsystem changes (stiffness, mass, moment of inertia, location). An analytical approach based on Lagrange multipliers as well as a finite element formulation are employed and compared. Numerically reliable results are presented for the first time, illustrating the convenience of using the present analytical method which requires only the solution of a linear eigenvalue problem. Results obtained through the variation of the mass, stiffness and moment of inertia of the 3-DOF system can be understood under the effective mass concept or Rayleigh's statement. The analysis of frequency values of the whole system, when the 3-DOF system approaches or moves away from the center, shows that the variations depend on each particular mode of vibration. When the 3-DOF system is placed in the center of the plate, "new" modes are found to be a combination of the subsystem's modes (two rotations, traslation) and the bare plate's modes that possess the same symmetry. This situation no longer exists as the 3-DOF system moves away from the center of the plate, since different bare plate's modes enable distinct motions of the 3-DOF system contributing differently to the "new' modes as its location is modified. Also the natural frequencies of the compound system are nearly uncoupled have been calculated by means of a first order eigenvalue perturbation analysis.
The paper presents free vibration and stability analyses of a non-uniform Timoshenko beam resting on a two-parameter elastic soil. The soil parameters can vary along the spat and is assumed to be two-parameter model including the effects of both transverse shear deformation and elastic foundation Governing equations related to the vibration and the stability of the beam are derived from Hamilton's principle, and the resulting eigen-value problems can be solved to give natural frequencies and critical force by finite element method. Numerical results for both vibration and stability of beams under an axial force are presented and compared with other available solutions. Finally, vibration frequencies, mode shapes and critical forces are investigated for various thickness ratios, shear foundation parameter, Winkler foundation parameter and boundary conditions of tapered Timoshenko beams.
In this paper, the modified form of shear deformation plate theories is proposed. First, the displacement field geometry of classical and the first order shear deformation theories are compared with each other. Using this comparison shows that there is a kinematic relation among independent variables of the first order shear deformation theory. So, the modified forms of rotation functions in shear deformation theories are proposed. Governing equations for rectangular and circular thick laminated plates, having been analyzed numerically so far, are solved by method of separation of variables. Natural frequencies and mode shapes of the plate are determined. The results of the present method are compared with those of previously published papers with good agreement obtained. Efficiency, simplicity and excellent results of this method are extensible to a wide range of similar problems. Accurate solution for governing equations of thick composite plates has been made possible for the first time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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