Rezaiee-Pajand, Mohammad;Sani, Ahmad Aftabi;Hozhabrossadati, Seyed Mojtaba
Smart Structures and Systems
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제21권3호
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pp.349-358
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2018
This paper investigates the free vibration analysis of double-beam system coupled by a two-degree-of-freedom mass-spring system. In order to generalize the model, the main beams are assumed to be elastically restrained against translation and rotation at one end and free at the other. Furthermore, the mass-spring system is elastically connected to the beams at adjustable positions by means of four translational and rotational springs. The governing differential equations of the beams and the mass-spring system are derived and analytically solved by using the Fourier transform method. Moreover, as a second way, a finite element solution is derived. The frequency parameters and mode shapes of some diverse cases are obtained using both methods. Comparison of obtained results by two methods shows the accuracy of both solutions. The influence of system parameters on the free vibration response of the studied mechanical system is examined.
Due to the complexity of mathematical expressions, the literature concerning the free vibration analysis of plates carrying multiple three-degree-of-freedom (dof) spring-mass systems is rare. In this paper, the three degrees of freedom (dof's) for a spring-mass system refer to the translational motion of its lumped mass in the vertical ($\bar{z}$) direction and the two pitching motions of its lumped mass about the two horizontal ($\bar{x}$ and $\bar{y}$) axes. The basic concept of this paper is to replace each three-dof spring-mass system by a set of equivalent springs, so that the free vibration characteristics of a rectangular plate carrying any number of three-dof spring-mass systems can be obtained from those of the same plate supported by the same number of sets of equivalent springs. Since the three dof's of the lumped mass for each three-dof spring-mass system are eliminated to yield a set of equivalent springs, the total dof of the entire vibrating system is not affected by the total number of the spring-mass systems attached to the rectangular plate. However, this is not true in the conventional finite element method (FEM), where the total dof of the entire vibrating system increases three if one more three-dof spring-mass system is attached to the rectangular plate. Hence, the computer storage memory required by using the presented equivalent spring method (ESM) is less than that required by the conventional FEM, and the more the total number of the three-dof spring-mass systems attached to the plate, the more the advantage of the ESM. In addition, since manufacturing a spring with the specified stiffness is much easier than making a three-dof spring-mass system with the specified spring constants and mass magnitude, the presented theory of replacing a three-dof spring-mass system by a set of equivalent springs will be also significant from this viewpoint.
This paper presents the wideband vibration system of an electromagnetic vibration energy harvester that obtained electric power for wireless sensor applications from the ever-change vibrations of bridge. It is a system with two degree of freedom vibrations that are composed of two mass and two spring respectively. One system is housing mass and spring, the other is the magnetic mass and spring that is the vibration system construction's element of electromagnetic vibration energy harvester. In other words, it is called dynamic vibration absorber. This paper show that the ratio of housing mass to magnetic mass decides the bandwidth and the size of amplitude of magnetic mass in electromagnetic vibration energy harvester. Therefore, it is necessary to improve the efficiency of energy in electromagnetic vibration energy harvester for wireless sensor applications.
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.
We present a piezoelectric energy harvester with stopper-engaged dynamic magnifier which is capable of significantly increasing the operating bandwidth and the energy (power) harvested from a broad range of low frequency vibrations (<30 Hz). It uses a mass-loaded polymer beam (primary spring-mass system) that works as a dynamic magnifier for another mass-loaded piezoelectric beam (secondary spring-mass system) clamped on primary mass, constituting a two-degree-of-freedom (2-DOF) system. Use of polymer (polycarbonate) as the primary beam allows the harvester not only to respond to low frequency vibrations but also generates high impulsive force while the primary mass engages the base stopper. Upon excitation, the dynamic magnifier causes mechanical impact on the base stopper and transfers a secondary shock (in the form of impulsive force) to the energy harvesting element resulting in an increased strain in it and triggers nonlinear frequency up-conversion mechanism. Therefore, it generates almost four times larger average power and exhibits over 250% wider half-power bandwidth than those of its conventional 2-DOF counterpart (without stopper). Experimental results indicate that the proposed device is highly applicable to vibration energy harvesting in automobiles.
Passive dynamic vibration absorbers (DVAs) are often used to suppress the excessive vibration of a large structure due to their simple construction and low maintenance cost compared to other vibration control techniques. A new type of passive DVA consists of two pendulums connected with spring and dashpot element is investigated. This research evaluated the performance of the DVA in reducing the vibration response of a two degree of freedom shear structure. A model for the two DOF vibration system with the absorber is developed. The nominal absorber parameters are calculated using a Genetic Algorithm(GA) procedure. A parametric study is performed to evaluate the effect of each absorber parameter on performance. The simulation results show that the optimum condition for the absorber frequencies and damping ratios is mainly affected by pendulum length, mass, and the damping coefficient of the pendulum's hinge joint. An experimental model validates the theoretical results. The simulation and experimental results show that the proposed technique is able be used as an effective alternative solution for reducing the vibration response of a multi degree of freedom vibration system.
Recently, a new foundation model called "Dynamic foundation model" was proposed for the dynamic analysis of structures on the foundation. This model includes a linear elastic spring, shear layer, viscous damping and the special effects of mass density parameter of foundation during vibration. However, the relationship of foundation property parameters with the experimental parameter of the influence of foundation mass also has not been established in previous research. Hence, the purpose of the paper presents a simple experimental model in order to establish relationships between foundation properties such as stiffness, depth of foundation and experimental parameter of the influence of foundation mass. The simple experimental model is described by a steel plate connected with solid rubber layer as a single degree of freedom system including an elastic spring connected with lumped mass. Based on natural circular frequencies of the experimental models determined from FFT analysis plots of the time history of acceleration data, the experimental parameter of the influence of foundation mass is obtained and the above relationships are also discussed.
Two types of numerical modeling techniques were considered for the dynamic response of a structure subjected to a ground acceleration. One technique is based on the equation of motion relative to ground motion, and the other is based on the equation of absolute motion of the structure and the ground. The analytic background of the former is well established while the latter has not yet been extensively verified. The latter is called a large mass method, which allocates an appropriate large mass to the ground so that it causes the ground to move according to a given acceleration time history. In this paper, through the use of a single degree-of-freedom spring-mass system, the equations of motion of the two techniques were analyzed and useful theorems are provided on the large mass method. Using simple examples, the numerical results of the two modeling techniques were compared with analytic solutions. It is shown that the theorems provide a clear insight on the large mass method.
Damage detection based on a reference set of measured data usually has the problem of different environmental temperature in the two sets of measurements, and the effect of temperature difference is usually ignored in the subsequent model updating. This paper attempts to identify the structural damage including the temperature difference with artificial measurement noise. Both local damages and the temperature difference are identified in a gradient-based model updating method based on dynamic response sensitivity. The sensitivities of dynamic response with respect to the system parameters and temperature difference are calculated by direct integration method. The measured dynamic responses of the structure from two different states are used directly to identify the structural local damages and the temperature difference. A single degree-of-freedom mass-spring system and a planar truss structure are studied to illustrate the effectiveness of the proposed method.
This work analytically investigated the radiated noise of a helical gear-housing system due to the excitation of helical gears. The helical gears were modeled as a 12-degree of freedom mass-spring-damper system; the shaft was modeled as a rod, a beam, and a torsional shaft; and the gear housing was modeled as a clamped circular plate with viscous damping. The modeling of this system used transfer matrices for helical gears, shafts, and bearings. Damping for both the bearings and the plate were obtained by modal testing. For the evaluation of noise, sound pressure from the plate due to the force and the moment in both radial and tangential directions was analytically derived by the Rayleigh integral. The analytical derivation and parameters from the experiment were applied to an analysis of noise for the two sets of helical gears with differing gear ratios. The analysis showed that the moment excitation in both helical gears contributed more to the noise of the plate than axial force excitation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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