The centrifugal force acting on a rotating disk creates the in-plane loads in radial and circumferential directions. Application of fiber reinforced composite materials to the rotating disk can satisfy the demand for the increment of its rotating speed. However, the existing researches have been confined to lamina disks. This paper deals with the stress and vibration analysis of rotating laminated composite disks. The maximum strain theory for failure criterion is applied to determine the strength of the laminate disk from which the maximum allowable speed is obtained. Dynamic equation is formulated in order to calculate the natural frequency and critical speed for rotating laminated disks. The Galerkin method is applied to obtain the series solution. The numerical results are given for the cross-ply laminated composite disks.
This paper (Part II) provides the application results of the method presented in a companion paper (Part I) where the dynamic equation for rotating polar orthotropic disk is formulated and its solution method is considered. The natural frequencies and critical speed of polycarbonate CD are calculated to validate the present method and are shown to by very accurate. The critical speeds of typical GFRP and CFRP CD's are computed by aligning the fibers in radial and circumferential directions. The radially reinforced CFRP CD is shown to have the five times higher critical speed than that of the polycarbonate CD. The natural frequencies and critical speeds of disks with various elastic modulus ratios are obtained. The results show that the radially reinforced disk is more effective in increasing critical speed than the circumferentially reinforced disk.
Rotating annular disks are widely used in data storage devices such as CDs, DVDs(digital versatile disks), and HDs(hard disks). Higher data transfer rate in data storage disks could not be achieved by polycarbonate disks in the present market. The problem can be solved by applying the fiber-reinforce composite materials to the disks. In this paper, an application of composite materials to rotating disks is proposed to increase the critical speed. Dynamic equation is formulated in order to calculate the natural frequency and critical speed for rotating composite disks by the Galerkin method. The orthogonal functions are used in series solution. A companion paper(Part II) presents and discusses the numerical results of vibration analysis and critical speed for rotating polar orthotropic disk using the formulation and solution method given in this paper (Part I).
본 논문에서는 차륜을 등방성, 균질 재료라고 가정하였으며 웨브와 림의 두께 가 서로 다른 환형원판으로써 내원주는 고정되고 외원주는 자유라고 가정하였다. 외 원주상의 한 점에서 철로와의 구름조건에 따라 변하는 반경방향의 반력에 의한 내평면 압축응력과 원판의 회전에 의한 내평면 압축응력을 고려하고, 두께가 변하는 웨브와 림의 경계면에서의 연속조건을 이용하여 차륜의 횡진동방정식을 세워서 Rayleigh-Ritz 방법으로 수치해석을 하여 고유진동수와 임계좌굴하중을 계산하고, 실제 차륜의 1/6크 기로 형상화하여 제작한 연성진동장치로 실험하여 이론치와 비교, 검토하였다.
알갱이 군에 형성되는 무더기 현상을 이해하기 위하여, 좁쌀, 모래, 은박 원판 등의 알갱이 군에 대하여 수직진동 및 회전진동을 적용하여 이들의 움직임을 조사하였다. 수직진동의 경우, Gerner의 연구처럼 무더기가 형성되었으나, 알갱이 무게와 관계없이 좁쌀, 모래, 은박원판의 무더기가 순으로 형성되었고, 은박원판의 무더기는 좁쌀과 모래에 비해 훨씬 복잡하게 나타났다. 또 회전진동의 경우, 알갱이는 용기 벽과 중력 및 알갱이 끼리 탄성 밀리기에 의해 중앙부위가 위로 솟아오르는 현상이 나타났으며, 회전진동 진폭이 큰 경우엔 나선형 문양이 나타나기도 했다. 이는 알갱이 군에 원심력, 알갱이 간 인력 및 세차운동 등이 가해지면, 무더기 현상이 지연되거나 더 난잡해짐을 의미한다. 이러한 사실로부터 화공재료 등의 알갱이의 무더기 현상은 용기의 진동 특성뿐 아니라 알갱이 간 인력의 유무에 따라서도 결정됨을 알 수 있다.
In this paper, a new finite annular plate element is developed, which considers the effects of the slight deviation from a perfect axisymmetry. It is assumed that, when a local deviation is introduced to an axisymmetric plate, the natural modes are separated into the symmetric and asymmetric modes. The proposed method is very efficient because a few elements are demanded and lots of active degrees of freedom are reduced in comparison with commercial numerical analysis programs. In addition, when the deviation is small enough. It is more accurate than the result of using usual plate elements of commercial FEM programs.
The forced vibration analysis of the outer-clamped spinnig annular disk with arbitrary in-plane is formulated to investigate the influence of non-uniform tension on the cutting accuracy of wafer cutting machine. The arbitrary in-plan force along the outer edge of an annular plate is expressed as a Fourier series. Galerkin method and modal superposition method are employed to obtain the forced responses under the static force and the impulse force in astationary coordinate. Through qualitative and quantitative analyses, it can be found that forced and impulse responses are sensitive to the non-uniformity of in-plane force, which can bring a bad effect to the accuracy of wafer cutting process. Also, in case of a spinning disk with non-uniform in-plane force, critical speed is required to define in a different way, compared with conventional definition in axi-symmetrical spinning disk.
This paper deals with the free vibration of two identical circular plates coupled with a bounded fluid. An analytical method based on the [mite Fourier-Bessel series expansion and Rayleigh-Ritz method is suggested. In the theory, it is assumed that the ideal fluid is filled in a rigid cylindrical container and the two plates are clamped along the plate edges. The proposed method is verified by the finite element analysis using commercial software with a good accuracy. Two transverse vibration modes, namely in-phase and out-of-phase, are observed alternately in the fluid-coupled system when the number of nodal circles increases for the fixed nodal diameter. The effect of gap between the plates on the fluid-coupled natural frequency is also investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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