This paper proposes a spectral element which can represent dynamic responses in high frequency domain such as Lamb waves on a thin plate. A two layer beam model under 2-D plane strain condition is introduced to simulate high-frequency dynamic responses induced by piezoelectric layer (PZT layer) bonded on a base plate. In the two layer beam model, a PZT layer is assumed to be rigidly bonded on a base beam. Mindlin-Herrmann and Timoshenko beam theories are employed to represent the first symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes on a base plate, respectively. The Bernoulli beam theory and 1-D linear piezoelectricity are used to model the electro-mechanical behavior of a PZT layer. The equations of motions of a two layer beam model are derived through Hamilton's principle. The necessary boundary conditions associated with electro mechanical properties of a PZT layer are formulated in the context of dual functions of a PZT layer as an actuator and a sensor. General spectral shape functions of response field and the associated boundary conditions are formulated through equations of motions converted into frequency domain. A detailed spectrum element formulation for composing the dynamic stiffness matrix of a two layer beam model is presented as well. The validity of the proposed spectral element is demonstrated through comparison results with the conventional 2-D FEM and the previously developed spectral elements.
In this paper, a dynamic behavior of spring supported cantilever beam with a crack and a moving mass is presented. Based on the Euler-Bernoulli beam theory, the equation of motion can be constructed by using the Lagrange's eauation. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments i.e. the crack is modelled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces across the crack section and is derived by applying fundamental fracture mechanics theory. And the crack is assumed to be in the first mode of fracture. As the depth of the crack is increased the tip displacement of the cantilever beam is increased.
This paper presents the analytical solutions for the size-dependent static analysis of the functionally graded (FG) beams with various boundary conditions based on the nonlocal continuum model. The nonlocal behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables to this model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The elastic modulus of beam is assumed to vary through the thickness or longitudinal directions according to the power law. The governing equations are derived by using the nonlocal continuum theory incorporated with Euler-Bernoulli beam theory. The explicit solutions are derived for the static behavior of the transversely or axially FG beams with various boundary conditions. The verification of the model is obtained by comparing the current results with previously published works and a good agreement is observed. Numerical results are presented to show the significance of the nonlocal effect, the material distribution profile, the boundary conditions, and the length of beams on the bending behavior of nonlocal FG beams.
A Closed-form solution for dynamic response of a functionally graded (FG) nonlocal nanobeam due to action of moving harmonic load is presented in this paper. Due to analyzing in small scale, a nonlocal elasticity theory is utilized. The governing equation and boundary conditions are derived based on the Euler-Bernoulli beam theory and Hamilton's principle. The material properties vary through the thickness direction. The harmonic moving load is modeled by Delta function and the FG nanobeam is simply supported. Using the Laplace transform the dynamic response is obtained. The effect of important parameters such as excitation frequency, the velocity of the moving load, the power index law of FG material and the nonlocal parameter is analyzed. To validate, the results were compared with previous literature, which showed an excellent agreement.
산업용 로봇의 하중률은 1대 10에서 1대 30이고, 3대 1의 하중률을 가지는 인간과 비교하여 매우 낮다. 다음 세대 로봇의 목표 중에 하나는 하중률이 될 것이고, 이것은 가벼운 로봇을 개발함으로 가능할 것이다. 2관절 유연한 로봇팔은 관절 축을 회전할 때 진동이 발생한다. 본 논문에서는 유연한 로봇팔의 진동 동력학은 오일러 베르누이의 보 이론과 라그랑지 방정식을 이용하여 구하였고, $\dot{D}-2C$가 skew symmetric이다는 사실을 사용하여, 계산량을 줄이는 리아프노프 안정도 이론을 이용한 단순한 구조의 새로운 제어기를 제안한다. 2링크 유연한 로봇에 대한 확정적인 적응제어 법칙을 제안하고, 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 보인다.
Gradient elastic flexural beams are dynamically analysed by analytic means. The governing equation of flexural beam motion is obtained by combining the Bernoulli-Euler beam theory and the simple gradient elasticity theory due to Aifantis. All possible boundary conditions (classical and non-classical or gradient type) are obtained with the aid of a variational statement. A wave propagation analysis reveals the existence of wave dispersion in gradient elastic beams. Free vibrations of gradient elastic beams are analysed and natural frequencies and modal shapes are obtained. Forced vibrations of these beams are also analysed with the aid of the Laplace transform with respect to time and their response to loads with any time variation is obtained. Numerical examples are presented for both free and forced vibrations of a simply supported and a cantilever beam, respectively, in order to assess the gradient effect on the natural frequencies, modal shapes and beam response.
Bernoulli-Euler beam theory is used to develop an exact dynamic stiffness matrix for the flexural-torsional coupled motion of a three-dimensional, axially loaded, thin-walled beam of doubly asymmetric cross-section. This is achieved through solution of the differential equations governing the motion of the beam including warping stiffness. The uniform distribution of mass in the member is also accounted for exactly, thus necessitating the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, examples are given to confirm the accuracy of the theory presented, together with an assessment of the effects of axial load and loading eccentricity.
Hamed, Mostafa A.;Sadoun, Ayman M.;Eltaher, Mohamed A.
Structural Engineering and Mechanics
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제71권1호
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pp.89-98
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2019
In this study, the mechanical bending behaviors of functionally graded porous nanobeams are investigated. Four types of porosity which are, the classical power porosity function, the symmetric with mid-plane cosine function, bottom surface distribution and top surface distribution are proposed in analysis of nanobeam for the first time. A comparison between four types of porosity are illustrated. The effect of nano-scale is described by the differential nonlocal continuum theory of Eringen by adding the length scale into the constitutive equations as a material parameter comprising information about nanoscopic forces and its interactions. The graded material is designated by a power function through the thickness of nanobeam. The beam is simply-supported and is assumed to be thin, and hence, the kinematic assumptions of Euler-Bernoulli beam theory are held. The mathematical model is solved numerically using the finite element method. Numerical results show effects of porosity type, material graduation, and nanoscale parameters on the static deflection of nanobeam.
Beam-like structures such as bridge, high building and tower, pipes, flexible connecting rods and some robotic manipulators are often excited by support motions. These structures are important in machines and structures. So, this study proposes an analytic method to accurately predict the dynamic behaviors of the structures during support motions or an earthquake. Using Timoshenko beam theory which is valid even for non-slender beams and for high-frequency responses, the analytic responses of fixed-fixed beams subjected to a real seismic motions at supports are illustrated to show the principled approach to the proposed method. The responses of a slender beam obtained by using Timoshenko beam theory are compared with the solutions based on Euler-Bernoulli beam theory to validate the correctness of the proposed method. The dynamic analysis for the fixed-fixed beam subjected to support motions gives useful information to develop an understanding of the structural behavior of the beam. The bending moment and the shear force of a slender beam are governed by dynamic components while those of a stocky beam are governed by static components. Especially, the maximal magnitudes of the bending moment and the shear force of the thick beam are proportional to the difference of support displacements and they are influenced by the seismic wave velocity.
Savino, Pierclaudio;Gherlone, Marco;Tondolo, Francesco
Structural Engineering and Mechanics
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제72권2호
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pp.217-227
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2019
The methodology known as "shape sensing" allows the reconstruction of the displacement field of a structure starting from strain measurements, with considerable implications for structural monitoring, as well as for the control and implementation of smart structures. An approach to shape sensing is based on the inverse Finite Element Method (iFEM) that uses a variational principle enforcing a least-squares compatibility between measured and analytical strain measures. The structural response is reconstructed without the knowledge of the mechanical properties and load conditions but based only on the relationship between displacements and strains. In order to efficiently apply iFEM to the most common structural typologies of civil engineering, its formulation according to the kinematical assumptions of the Bernoulli-Euler theory is presented. Two beam inverse finite elements are formulated for different loading conditions. Depending on the type of element, the relationship between the minimum number of required measurement stations and the interpolation order is defined. Several examples representing common applications of civil engineering and involving beams and frames are presented. To simulate the experimental strain data at the station points and to verify the accuracy of the displacements obtained with the iFEM shape sensing procedure, a direct FEM analysis of the considered structures is performed using the LUSAS software.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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