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.
Multiple-step beams carrying intermediate lumped masses with/without rotary inertias are widely used in engineering applications, but in the literature for free vibration analysis of such structural systems; Bernoulli-Euler Beam Theory (BEBT) without axial force effect is used. The literature regarding the free vibration analysis of Bernoulli-Euler single-span beams carrying a number of spring-mass systems, Bernoulli-Euler multiple-step and multi-span beams carrying multiple spring-mass systems and multiple point masses are plenty, but that of Timoshenko multiple-step beams carrying intermediate lumped masses and/or rotary inertias with axial force effect is fewer. The purpose of this paper is to utilize Numerical Assembly Technique (NAT) and Differential Transform Method (DTM) to determine the exact natural frequencies and mode shapes of the axial-loaded Timoshenko multiple-step beam carrying a number of intermediate lumped masses and/or rotary inertias. The model allows analyzing the influence of the shear and axial force effects, intermediate lumped masses and rotary inertias on the free vibration analysis of the multiple-step beams by using Timoshenko Beam Theory (TBT). At first, the coefficient matrices for the intermediate lumped mass with rotary inertia, the step change in cross-section, left-end support and right-end support of the multiple-step Timoshenko beam are derived from the analytical solution. After the derivation of the coefficient matrices, NAT is used to establish the overall coefficient matrix for the whole vibrating system. Finally, equating the overall coefficient matrix to zero one determines the natural frequencies of the vibrating system and substituting the corresponding values of integration constants into the related eigenfunctions one determines the associated mode shapes. After the analytical solution, an efficient and easy mathematical technique called DTM is used to solve the differential equations of the motion. The calculated natural frequencies of Timoshenko multiple-step beam carrying intermediate lumped masses and/or rotary inertias for the different values of axial force are given in tables. The first five mode shapes are presented in graphs. The effects of axial force, intermediate lumped masses and rotary inertias on the free vibration analysis of Timoshenko multiple-step beam are investigated.
This paper focuses on post-buckling analysis of functionally graded Timoshenko beam subjected to thermal loading by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. Material properties of the beam change in the thickness direction according to a power-law function. The beam is clamped at both ends. The considered highly non-linear problem is solved by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. As far as the authors know, there is no study on the post-buckling analysis of functionally graded Timoshenko beams under thermal loading considering full geometric non-linearity investigated by using finite element method. The convergence studies are made and the obtained results are compared with the published results. In the study, with the effects of material gradient property and thermal load, the relationships between deflections, end constraint forces, thermal buckling configuration and stress distributions through the thickness of the beams are illustrated in detail in post-buckling case.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.22
no.1
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pp.143-151
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2005
This paper study the effect of open cracks on the dynamic behavior of simply supported Timoshenko beam with a moving mass. The influences of the depth and the position of the crack in the beam have been studied on the dynamic behavior of the simply supported beam system by numerical method. Using Lagrange's equation derives the equation of motion. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments i.e. the crack is modeled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces on the crack section and is derived by the applying fundamental fracture mechanics theory. As the depth of the crack is increased the mid-span deflection of the Timoshenko beam with the moving mass is increased. And the effects of depth and position of crack on dynamic behavior of simply supported beam with moving mass are discussed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.3A
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pp.181-187
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2011
This paper deals with free vibrations of the Timoshenko beam supported by two elastomeric bearings at two far ends. The ordinary differential equation governing free vibrations of such beam is derived, in which both effects of rotatory inertia and shear deformation are included as the Timoshenko beam theory. Also, boundary conditions of the free end are derived based on the Timoshenko beam theory. The ordinary differential equation is solved by the numerical methods for calculating natural frequencies and mode shapes. Both effects of the rotatory inertia and shear deformation on natural frequencies are extensively discussed. Also, relationships between natural frequencies and slenderness ratio, foundation modulus and bearing length are presented. Typical mode shapes of bending moment and shear force as well as deflection are given in figures which show the positions of maximum amplitudes and nodal points.
In this paper, an analytical approach is proposed for determining vibration characteristics of cracked non-uniform continuous Timoshenko beam carrying an arbitrary number of spring-mass systems. This method is based on the Timoshenko beam theory, transfer matrix method and numerical assembly method to obtain natural frequencies and mode shapes. Firstly, the beam is considered to be divided into several segments by spring-mass systems and support points, and four undetermined coefficients of vibration modal function are contained in each sub-segment. The undetermined coefficient matrices at spring-mass systems and pinned supports are obtained by using equilibrium and continuity conditions. Then, the overall matrix of undetermined coefficients for the whole vibration system is obtained by the numerical assembly technique. The natural frequencies and mode shapes of a cracked non-uniform continuous Timoshenko beam carrying an arbitrary number of spring-mass systems are obtained from the overall matrix combined with half-interval method and Runge-Kutta method. Finally, two numerical examples are used to verify the validity and reliability of this method, and the effects of cracks on the transverse vibration mode shapes and the rotational mode shapes are compared. The influences of the crack location, depth, position of spring-mass system and other parameters on natural frequencies of non-uniform continuous Timoshenko beam are discussed.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.7
no.1
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pp.24-29
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2006
In this paper, the effect of open crack on the dynamic behavior of simply supported Timoshenko beam with a moving mass was studied. The influences of the depth and the position of the crack on the beam were studied on the dynamic behavior of the simply supported beam system by numerical methods. The equation of motion is derived by using Lagrange's equation. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments. The crack is modeled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces on the crack section and is derived by applying fundamental fracture mechanics theory. As the depth of the crack increases, the mid-span deflection of the Timoshenko beam with a moving mass is increased.
An outline of the Timoshenko beam theory is presented. Two differential equations of motion in terms of deflection and rotation are comprised into single equation with deflection and analytical solutions of natural vibrations for different boundary conditions are given. Double frequency phenomenon for simply supported beam is investigated. The Timoshenko beam theory is modified by decomposition of total deflection into pure bending deflection and shear deflection, and total rotation into bending rotation and axial shear angle. The governing equations are condensed into two independent equations of motion, one for flexural and another for axial shear vibrations. Flexural vibrations of a simply supported, clamped and free beam are analysed by both theories and the same natural frequencies are obtained. That fact is proved in an analytical way. Axial shear vibrations are analogous to stretching vibrations on an axial elastic support, resulting in an additional response spectrum, as a novelty. Relationship between parameters in beam response functions of all type of vibrations is analysed.
This paper features about the modeling and design of a fast output sampling feedback controller for a smart Timoshenko beam system for a SISO case by considering the first 3 vibratory modes. The beam structure is modeled in state space form using FEM technique and the Timoshenko beam theory by dividing the beam into 4 finite elements and placing the piezoelectric sensor/actuator at one location as a collocated pair, i.e., as surface mounted sensor/actuator, say, at FE position 2. State space models are developed for various aspect ratios by considering the shear effects and the axial displacements. The effects of changing the aspect ratio on the master structure is observed and the performance of the designed FOS controller on the beam system is evaluated for vibration control.
In the paper we study dynamic response of a finite, simply supported Timoshenko beam subject to a moving continuously distributed forces. Three problems have been considered. The dynamic response of the Timoshenko beam under a uniform distributed load moving with a constant velocity v has been considered as the first problem. Obtained solutions allow to find the response of the beam under the interval of the finite length a uniformly distributed moving load. Part of the solutions are presented in a closed form instead of an infinite series. As the second problem the steady-state vibrations of the beam under uniformly distributed mass $m_1$ moving with the constant velocity has been considered. The vibrations of the beam caused by the interval of the finite length randomly distributed load moving with constant velocity is considered as the last problem. It is assumed that load process is space-time stationary stochastic process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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