A new perturbation method is introduced to study the undamped free vibration of a non-prismatic Timoshenko beam for its natural frequencies and vibration modes. For simplicity, the natural modes of vibration of its corresponding prismatic Euler-Bernoulli beam with the same length and boundary conditions are used as Ritz base functions with necessary modifications to account for shear strain in the Timoshenko beam. The new method can transform two coupled partial differential equations governing the transverse vibration of the non-prismatic Timoshenko beam into a set of nonlinear algebraic equations. It significantly simplifies the solution process and is applicable to non-prismatic beams with various boundary conditions. Three examples indicated that the new method is more accurate than the previous perturbation methods. It successfully takes into account the effect of shear deformation of Timoshenko beams particularly at the free end of cantilever structures.
This paper investigates the free and forced longitudinal vibration of a double nanorod system using doublet mechanics theory. The doublet mechanics theory is a multiscale theory spanning between lattice dynamics and continuum mechanics. Equations of motion and boundary conditions for the double nanorod system are obtained using Hamilton's principle. Clamped-clamped and clamped-free boundary conditions are considered. Frequencies and dynamic displacements are determined to demonstrate the effects of length scale parameter of considered material and geometry of the nanorods. It is shown that frequencies obtained by the doublet mechanics theory are bounded from above (van Hove singularity) and unlike classical elasticity theory doublet mechanics theory predicts finite number of modes depending on the length of the nanotube. The present doublet mechanics results have been compared to molecular dynamics, experimental and nonlocal theory results and good agreement is observed between the present and other mentioned results. The difference between wave frequencies of graphite is less than 10% between doublet mechanics and experimental results near to the end of the first Brillouin zone.
Lee, Sung-Gu;Ham, Sang-Hwan;Lee, Hyung-Woo;Lee, Ju
Proceedings of the KSR Conference
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2009.05a
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pp.978-983
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2009
This paper analyzed longitudinal end effect occurred in linear induction motor by using I-d direct solution and its result is verified by 2-d Finite Element Method(FEM). Longitudinal end effect of linear induction motor caused by magnetic discontinuity in primary core and electric discontinuity in armature winding has been investigated by many researchers. In this paper, 1-d direct solution and boundary conditions proposed by Yamamura and Nasar is used to analyze end effect of linear induction motor and its solution is verified by 2-d FEM.
On the stability of the Timoshenko cantilever column subjected of a compressive follower force, the influences of the moment of inertia of the tip mass at the free end and the characteristics of a translational spring at the free end of the column are studied. The equations of motion and boundary conditions of system are estabilished by using the d'Alembert virtual work of principle. On the evaluation of stability of the column, the effect of the shear deformation and rotatory inertia is considered in calculation. The moment of inertia of the tip mass at the free end of the column is changed by adjusting the distance c, from the free end of the column to the tip mass center. The free end of the column is supported elastically by a translational spring. For the maintenance of the good stability of the column, it is also proved that the constant of the translational spring at the free end must be very large for the case without a tip mass while it must be small for the case with a tip mass. Therefore, it is found that the shape of the tip mass and the characteristic of the spring at the free end are very effective elements for the stability of the column when the columns subjected to a compressive follower force are designed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.5
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pp.1383-1391
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1996
The steady-state response for a coupled structure-acoustic-cavity systme has been investigated by numerical technique using a directly coupled finite element method(FEM) and Boundary Element Method(BEM) model. The Laplace tranformed matrix equations for the structure and the acoustic cavity are coupled directly satisfying the necessary equilibrium and compatibility conditions. The coupled FEM-BEM code is verified by comparing its prediction for an example with known analytical, numerical and experimental results. The example involves a coupled structure-acoustic-cavity system which is a box-type cavity with one end as experimentally excited pinned-pinned plate.
Hussain, Muzamal;Naeem, Muhammad Nawaz;Taj, Muhammad;Tounsi, Abdelouahed
Advances in nano research
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v.8
no.3
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pp.215-228
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2020
In this paper, a new method based on the Sander theory is developed for SWCNTs to predict the vibrational behavior of length and ratio of thickness-to-radius according to various end conditions. The motion equation for this system is developed using Rayleigh-Ritz's method. The proposed model shows the vibration frequencies of armchair (5, 5), (7, 7), (9, 9), zigzag (12, 0), (14, 0), (19, 0) and chiral (8, 3), (10, 2), (14, 5) under different support conditions namely; SS-SS, C-F, C-C, and C-SS. The solutions of frequency equations have been given for different boundary condition, which have been given in several graphs. Several parameters of nanotubes with characteristic frequencies are given and vary continuously in length and ratio of thickness-to-radius. It has been illustrated that an enhancing the length of SWCNTs results in decreasing of the frequency range. It was demonstrated by increasing of the height-to-radius ratio of CNTs, the fundamental natural frequency would increase. Moreover, effects of length and ratio of height-to-radius with different boundary conditions have been investigated in detail. It was found that the fundamental frequencies of C-F are always lower than that of other conditions, respectively. In addition, the existence of boundary conditions has a significant impact on the vibration of SWCNTs. To generate the fundamental natural frequencies of SWCNTs, computer software MATLAB engaged. The numerical results are validated with existing open text. Since the percentage of error is negligible, the model has been concluded as valid.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.22
no.4
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pp.895-904
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1998
This paper presents the results of experimental investigation of the buckling behavior of thin-walled box-section column. The experiments for finding the buckling stress and bifurcation slenderness ratio are performed by the method from AISC. The sets of boundary conditions are both end simply supported, one end simply supported and the other end clamped, and both ends clamped. The types of specimens are clssified by thickness to width ratio. The experiments for the thin-walled rectangular tubes are closely concurrent with the theoretical values of overall buckling load and bifurcation slenderness ratio that are suggested by the part (I) of this paper.
The tension of an arch bridge hanger is estimated using a number of experimentally identified modal frequencies. The hanger is connected through metallic plates to the bridge deck and arch. Two different categories of model classes are considered to simulate the vibrations of the hanger: an analytical model based on the Euler-Bernoulli beam theory, and a high-fidelity finite element (FE) model. A Bayesian parameter estimation and model selection method is used to discriminate between models, select the best model, and estimate the hanger tension and its uncertainty. It is demonstrated that the end plate connections and boundary conditions of the hanger due to the flexibility of the deck/arch significantly affect the estimate of the axial load and its uncertainty. A fixed-end high fidelity FE model of the hanger underestimates the hanger tension by more than 20 compared to a baseline FE model with flexible supports. Simplified beam models can give fairly accurate results, close to the ones obtained from the high fidelity FE model with flexible support conditions, provided that the concept of equivalent length is introduced and/or end rotational springs are included to simulate the flexibility of the hanger ends. The effect of the number of experimentally identified modal frequencies on the estimates of the hanger tension and its uncertainty is investigated.
This paper focuses on geometrically non-linear static analysis of a simply supported beam made of hyperelastic material subjected to a non-follower transversal uniformly distributed load. As it is known, the line of action of follower forces is affected by the deformation of the elastic system on which they act and therefore such forces are non-conservative. The material of the beam is assumed as isotropic and hyperelastic. Two types of simply supported beams are considered which have the following boundary conditions: 1) There is a pin at left end and a roller at right end of the beam (pinned-rolled beam). 2) Both ends of the beam are supported by pins (pinned-pinned beam). In this study, finite element model of the beam is constructed by using total Lagrangian finite element model of two dimensional continuum for a twelve-node quadratic element. The considered highly non-linear problem is solved by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. In order to use the solution procedures of Newton-Raphson type, there is need to linearized equilibrium equations, which can be achieved through the linearization of the principle of virtual work in its continuum form. In the study, the effect of the large deflections and rotations on the displacements and the normal stress and the shear stress distributions through the thickness of the beam is investigated in detail. It is known that in the failure analysis, the most important quantities are the principal normal stresses and the maximum shear stress. Therefore these stresses are investigated in detail. The convergence studies are performed for various numbers of finite elements. The effects of the geometric non-linearity and pinned-pinned and pinned-rolled support conditions on the displacements and on the stresses are investigated. By using a twelve-node quadratic element, the free boundary conditions are satisfied and very good stress diagrams are obtained. Also, some of the results of the total Lagrangian finite element model of two dimensional continuum for a twelve-node quadratic element are compared with the results of SAP2000 packet program. Numerical results show that geometrical nonlinearity plays very important role in the static responses of the beam.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.7
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pp.2858-2864
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2012
The differential quadrature method (DQM) is applied to computation of the eigenvalues of in-plane buckling of the curved beams. Critical moments and loads are calculated for the beam subjected to equal and opposite bending moments and uniformly distributed radial loads with various end conditions and opening angles. Results are compared with existing exact solutions where available. The DQM gives good accuracy even when only a limited number of grid points is used. More results are given for two sets of boundary conditions not considered by previous investigators for in-plane buckling: clamped-clamped and simply supported-clamped ends.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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