A numerically efficient superelement is proposed as a low degree of freedom model for dynamic analysis of rotating tapered beams. The element uses a combination of polynomials and trigonometric functions as shape functions in what is also called the Fourier-p approach. Only a single element is needed to obtain good modal frequency prediction with the analysis and assembly time being considerably less than for conventional elements. The superelement also allows an easy incorporation of polynomial variations of mass and stiffness properties typically used to model helicopter and wind turbine blades. Comparable results are obtained using one superelement with only 14 degrees of freedom compared to 50 conventional finite elements with cubic shape functions with a total of 100 degrees of freedom for a rotating cantilever beam. Excellent agreement is also shown with results from the published literature for uniform and tapered beams with cantilever and hinged boundary conditions. The element developed in this work can be used to model rotating beam substructures as a part of complete finite element model of helicopters and wind turbines.
Equations of motion of rotating cantilever curved beams are derived based on a dynamic modeling method developed in this paper. The Kane's method is employed to derive the equations of motion. Different from the classical linear modeling method which employs two cylindrical deformation variables, the present modeling method employs a non-cylindrical variable along with a cylindrical variable to describe the elastic deformation. The derived equations (governing the stretching and the bending motions) are coupled but linear. So they can be directly used for the vibration analysis. The coupling effect between the stretching and the bending motions which could not be considered in the conventional modeling method is considered in this modeling method. The natural frequencies of the rotating curved beams versus the rotating speed are calculated for various radii of curvature and hub radius ratios.
In this paper, the dynamic modeling and tip position of rotating Timoshenko beam analyzed by means of FEM (finite element method) and Hyperstability MRAC(model referenced adaptive control) technique of each other. The governing equations of the rotating beams are drived from Hamilton's principle. The dynamic model of this multi-link is drived by Lagrange approach. The shear deformation and rotary inertia are incorporated into a finite element model for determining the bending frequencies of the rotating beam. Simulation results for uniform cantilever beams by using the MRAC are compared with the available results. It will be shown that the proposed method offers an accurate and effective one to solve the free vibration problems of rotating beams' stability.
The natural frequencies of continuous systems depend on the governing partial differential equation and can be numerically estimated using the finite element method. The accuracy and convergence of the finite element method depends on the choice of basis functions. A basis function will generally perform better if it is closely linked to the problem physics. The stiffness matrix is the same for either static or dynamic loading, hence the basis function can be chosen such that it satisfies the static part of the governing differential equation. However, in the case of a rotating beam, an exact closed form solution for the static part of the governing differential equation is not known. In this paper, we try to find an approximate solution for the static part of the governing differential equation for an uniform rotating beam. The error resulting from the approximation is minimized to generate relations between the constants assumed in the solution. This new function is used as a basis function which gives rise to shape functions which depend on position of the element in the beam, material, geometric properties and rotational speed of the beam. The results of finite element analysis with the new basis functions are verified with published literature for uniform and tapered rotating beams under different boundary conditions. Numerical results clearly show the advantage of the current approach at high rotation speeds with a reduction of 10 to 33% in the degrees of freedom required for convergence of the first five modes to four decimal places for an uniform rotating cantilever beam.
Starting from the rotating beam finite element in which the interpolating shape functions satisfy the governing static homogeneous differential equation of Euler-Bernoulli rotating beams, we derived new shape functions that satisfy the governing differential equation which contains the terms of hub radius and setting angle. The shape functions are rational functions which depend on hub radius, setting angle, rotational speed and element position. Numerical results for uniform and tapered cantilever beams with and without hub radius and setting angle are compared with the available results. It is shown that the present element offers an accurate method for solving the free vibration problems of rotating beams.
Dynamic stability of rotating blade considering gravity effect is investigated in this paper. Equations of motion for the beam is derived by employing hybrid deformation variable method and transformed into dimensionless form. The present modeling method is verified by RecurDyn. Stability diagrams are presented to show the influence of the configuration of the beam and angular velocity on the dynamic stability by applying Floquet's theory. Since the natural frequencies are varied when the blade has rotating motion, it is found that relatively large unstable regions exist approximately 1.1 times as high as the first bending natural frequency and half of the sum of first and second bending natural frequency.
Cantilever structures demonstrate diverse nonlocal effects, resulting in either stiffness hardening or dynamic softening behaviors, as various studies have indicated. This research delves into the free and forced vibration analysis of rotating nanoscale cylindrical beams and tubes under external dynamic stress, aiming to thoroughly explore the nonlocal impact from both angles. Utilizing Euler-Bernoulli and Reddy beam theories, in conjunction with higher-order tube theory and Hamilton's principle, nonlocal governing equations are derived with precise boundary conditions for both local and nonlocal behaviors. The study specifically examines two-dimensional functionally graded materials (2D-FGM), characterized by axially functionally graded (AFG) and radial porosity distributions. The resulting partial differential equations are solved using the generalized differential quadrature element method (GDQEM) and Newmark-beta procedures to acquire time-dependent results. This investigation underscores the significant influence of boundary conditions when nonlocal forces act on cantilever structures.
A modeling method for the modal analysis of a rotating cross-ply composite beam based on Timoshenko beam theory is presented. To analyze the composite beam exactly, the effects of shear deformation and rotary inertia are included. Linear differential equations of motion are derived using the assumed mode method. For the modeling, hybrid deformation variables are employed and approximated to derive the equations of motion. The effects of the dimensionless angular velocity and the slenderness ratio parameter on the variations of modal characteristics are investigated
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[게시일 2004년 10월 1일]
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