The MEMS structures usually are made from silicon; consideration of the viscoelastic effect in microbeams duo to the phenomena of silicon creep is necessary. Application of the fractional model of microbeams made from viscoelastic materials is studied in this paper. Quasi-static and dynamical responses of an electrically actuated viscoelastic microbeam are investigated. For this purpose, a nonlinear finite element formulation of viscoelastic beams in combination with the fractional derivative constitutive equations is elucidated. The four-parameter fractional derivative model is used to describe the constitutive equations. The electric force acting on the microbeam is introduced and numerical methods for solving the nonlinear algebraic equation of quasi-static response and nonlinear equation of motion of dynamical response are described. The deflected configurations of a microbeam for different purely DC voltages and the tip displacement of the microbeam under a combined DC and AC voltages are presented. The validity of the present analysis is confirmed by comparing the results with those of the corresponding cases available in the literature.
Viscoelastic damping materials are widely used to reduce noise and vibration because of its low cost and easy implementation, for examples, on the body structure of passenger cars, air planes, electric appliances and ships. To design the damped structures, the material property such as elastic modulus and loss factor is essential information. The four-parameter fractional derivative model well describes the dynamic characteristics of the viscoelastic damping materials with respect to both frequency and temperature. However, the identification procedure of the four-parameter is very time-consuming one. In this study a new identification procedure of the four-parameters is proposed by using an FE model and a gradient-based numerical search algorithm. The identification procedure goes two sequential steps to make measured frequency response functions(FRF) coincident with simulated FRFs: the first one is a peak alignment step and the second one is an amplitude adjustment step. A numerical example shows that the proposed method is useful in identifying the viscoelastic material parameters of fractional derivative model.
Viscoelastic damping materials are widely used to reduce noise and vibration because of its low cost and easy implementation, for examples, on the body structure of passenger cars, air planes, electric appliances and ships. To design the damped structures, the material property such as elastic modulus and loss factor is essential information. The four-parameter fractional derivative model well describes the nonlinear dynamic characteristics of the viscoelastic damping materials with respect to both frequency and temperature with fewer parameters than conventional spring-dashpot models. However the identification procedure of the four-parameter is very time-consuming one. An efficient identification procedure of the four-parameters is proposed by using an FE model and a gradient-based numerical search algorithm. The identification procedure goes two sequential steps to make measured FRFs coincident with simulated FRFs: the first one is a peak alignment step and the second one is an amplitude adjustment. A numerical example shows that the proposed method is efficient and robust in identifying the viscoelastic material parameters of fractional derivative model.
Ahmed E. Abouelregal;Badahi Ould Mohamed;Hamid M. Sedighi
Advances in nano research
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제16권2호
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pp.141-154
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2024
This study aims to develop explicit models to investigate thermo-mechanical interactions in moving nanobeams. These models aim to capture the small-scale effects that arise in continuous mechanical systems. Assumptions are made based on the Euler-Bernoulli beam concept and the fractional Zener beam-matter model. The viscoelastic material law can be formulated using the fractional Caputo derivative. The non-local Eringen model and the two-phase delayed heat transfer theory are also taken into account. By comparing the numerical results to those obtained using conventional heat transfer models, it becomes evident that non-localization, fractional derivatives and dual-phase delays influence the magnitude of thermally induced physical fields. The results validate the significant role of the damping coefficient in the system's stability, which is further dependent on the values of relaxation stiffness and fractional order.
Soil foundations exhibit significant creeping deformation, which may result in excessive settlement and failure of superstructures. Based on the theory of viscoelasticity and fractional calculus, a fractional Kelvin-Voigt model is proposed to account for the time-dependent behavior of soil foundation under vertical line load. Analytical solution of settlements in the foundation was derived using Laplace transforms. The influence of the model parameters on the time-dependent settlement is studied through a parametric study. Results indicate that the settlement-time relationship can be accurately captured by varying values of the fractional order of differential operator and the coefficient of viscosity. In comparison with the classical Kelvin-Voigt model, the fractional model can provide a more accurate prediction of long-term settlements of soil foundation. The determination of influential distance also affects the calculation of settlements.
The viscoelastic dampers are considered to be one of the most efficient means of upgrading existing structures against seismic loads. Generally in the dynamic analysis of a structure with added viscoelastic dampers the internal forces of the dampers are represented by constants that are linearly proportional to displacement and velocity. The purpose of this study is to verify the validity of the linear Kelvin model by comparing the results from the linear analysis with those obtained from the more rigorous nonlinear model such as fractional derivative model. According to the results the structural responses of 1-DOF structure obtained using the linear model are very close to those obtained from nonlinear model. However for multi-D0F structure the difference between the results from both models is enlarged as a results of the assumptions associated with the linear modeling of the viscoelastic dampers.
The long-term performance of plates resting on viscoelastic foundations is a major concern in the analysis of soil-structure interaction. As a powerful mathematical tool, fractional calculus may address these plate-on-foundation problems. In this paper, a fractionalized Zener model is proposed to study the time-dependent behavior of a uniformly loaded rectangular thin foundation plate. By use of the viscoelastic-elastic correspondence principle and the Laplace transforms, the analytical solutions were obtained in terms of the Mittag-Leffler function. Through the analysis of a numerical example, the calculated plate deflection, bending moment and foundation reaction were compared to those from ideal elastic and standard viscoelastic models. It is found that the upper and lower bound solutions of the plate response estimated by the proposed model can be determined using the elastic model. Based on a parametric study, the impacts of model parameters on the long-term performance of a foundation plate were systematically investigated. The results show that the two spring stiffnesses govern the upper and lower bound solutions of the plate response. By varying the values of the fractional differential order and the coefficient of viscosity, the time-dependent behavior of a foundation plate can be accurately captured. The fractional differential order seems to be dependent on the mechanical properties of the ground soil. A sandy foundation will have a small fractional differential order while in order to simulate the creeping of clay foundation, a larger fractional differential order value is needed. The fractionalized Zener model is capable of accounting for the primary and secondary consolidation processes of the foundation soil and can be used to predict the plate performance over many decades of time.
Lewandowski, Roman;Slowik, Mieczyslaw;Przychodzki, Maciej
Structural Engineering and Mechanics
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제63권2호
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pp.181-193
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2017
An identification method for determination of the parameters of the rheological models of dampers made of viscoelastic material is presented. The models have two, three or four parameters and the model equations of motion contain derivatives of the fractional order. The results of dynamical experiments are approximated using the trigonometric function in the first part of the procedure while the model parameters are determined as the solution to an appropriately defined optimization problem. The particle swarm optimization method is used to solve the optimization problem. The validity and effectiveness of the suggested identification method have been tested using artificial data and a set of real experimental data describing the dynamic behavior of damper and a fluid frequently used in dampers. The influence of a range of excitation frequencies used in experiments on results of identification is also discussed.
Huang, Qinghua;Yu, Xinping;Lv, Jun;Zhou, Jilie;Elvenia, Marischa Ray
Steel and Composite Structures
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제45권3호
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pp.409-423
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2022
Nowadays, there is a high demand for great structural implementation and multifunctionality with excellent mechanical properties. The porous structures reinforced by graphene platelets (GPLs) having valuable properties, such as heat resistance, lightweight, and excellent energy absorption, have been considerably used in different engineering implementations. However, stiffness of porous structures reduces significantly, due to the internal cavities, by adding GPLs into porous medium, effective mechanical properties of the porous structure considerably enhance. This paper is relating to vibration analysis of fluidconveying cantilever porous graphene platelet reinforced (GPLR) pipe with fractional viscoelastic model resting on foundations. A dynamical model of cantilever porous GPLR pipes conveying fluid and resting on a foundation is proposed, and the vibration, natural frequencies and primary resonant of such a system are explored. The pipe body is considered to be composed of GPLR viscoelastic polymeric pipe with porosity in which Halpin-Tsai scheme in conjunction with the fractional viscoelastic model is used to govern the construction relation of nanocomposite pipe. Three different porosity distributions through the pipe thickness are introduced. The harmonic concentrated force is also applied to the pipe and the excitation frequency is close to the first natural frequency. The governing equation for transverse motions of the pipe is derived by the Hamilton principle and then discretized by the Galerkin procedure. In order to obtain the frequency-response equation, the differential equation is solved with the assumption of small displacement, damping coefficient, and excitation amplitude by the multiple scale method. A parametric sensitivity analysis is carried out to reveal the influence of different parameters, such as nanocomposite pipe properties, fluid velocity and nonlinear viscoelastic foundation coefficients, on the primary resonance and linear natural frequency. Results indicate that the GPLs weight fraction porosity coefficient, fractional derivative order and the retardation time have substantial influences on the dynamic response of the system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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