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 study, the method of the finite element modeling for free vibration control of beam-type smart structures with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators is proposed. Constitutive equations for the direct piezoelectric effect and converse piezoelectric effect of piezoelectric materials are considered. By using the variational principle, the equations of motion for the smart beam finite element are derived, The proposed 2-node beam finite element is an isoparametric element based on Timoshenko beam theory. Therefore, by analyzing beam-type smart structures with smart beam finite elements, it is possible to simulate the control of the structural behavior by applying voltages to piezoelectric actuators and monitoring of the structural behavior by sensing voltages of piezoelectric sensors. By using the smart beam finite element and constant-gain feed back control scheme, the formulation of the free vibration control for the beam structures with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators is proposed.
This paper presents spectral element formulation which approximates Lamb wave propagation by PZT transducers bonded 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 a piezoelectric (PZT) layer rigidly bonded on a base plate. 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 Euler-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 the 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 obtained through equations of motions converted into frequency domain. 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 numerical examples.
In this paper, we present a new finite Timoshenko beam element with a model for ultimate load computation of reinforced concrete frames. The proposed model combines the descriptions of the diffuse plastic failure in the beam-column followed by the creation of plastic hinges due to the failure or collapse of the concrete and or the re-bars. A modified multi-scale analysis is performed in order to identify the parameters for stress-resultant-based macro model, which is used to described the behavior of the Timoshenko beam element. The micro-scale is described by using the multi-fiber elements with embedded strain discontinuities in mode 1, which would typically be triggered by bending failure mode. A special attention is paid to the influence of the axial force on the bending moment - rotation response, especially for the columns behavior computation.
The dynamic stability problem of nonconservative system is one of the important problems. In this study, flexible missile with mass variation is regarded as a free Timoshenko beam subjected to a controlled follower force. The stability was studied numerically through the finite element method. Through the study, the obtained results are as follows: [1] Without force direction control (1) In the case of no mass reduction, the existence of concentrated mass increases critical follower force. (2) Mass reduction rate of the beam slightly effects on the change of critical follower force. [2] With force direction control (1) Shear deformation parameter S contributes insignificantly to the force at instability when $S{\geq}10^4$. (2) With mass variation, increase of concentrated mass increases critical follower force at instbility. (3) The type of promary instability is determined by the sensor location.
Hosseini-Tabatabaei, Mahmoud-Reza;Rezaiee-Pajand, Mohmmad;Mollaeinia, Mahmoud R.
Structural Engineering and Mechanics
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제74권2호
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pp.189-199
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2020
Researchers have elaborated several accurate methods to calculate member-end rotations or moments, directly, for bridge-type structures. Recently, the concept of rotation and moment propagation (RMP) has been presented considering bending flexibility, only. Through which, in spite of moment distribution method, all joints are free resulting in rotation and moment emit throughout the structure similar to wave motion. This paper proposes a new set of closed-form equations to calculate member-end rotation or moment, directly, comprising both shear and bending flexibility. Furthermore, the authors program the algorithm of Timoshenko beam theory cooperated with the finite element. Several numerical examples, conducted on the procedures, show that the method is superior in not only the dominant algorithm but also the preciseness of results.
This paper presents a numerical method that can evaluate the effect of crack for the in-plane bending vibration of Timoshenko beam. The method is a transfer matrix method that the element transfer matrix is deduced from the element dynamic stiffness matrix. An edge crack is expressed as a rotational spring, and then is formulated as an independent transfer matrix. To demonstrate the accuracy of this theory, the results computed from the present are compared with those obtained from the commercial finite element analysis program. Based on these comparison results, a parametric study is performed to analyze the effects for the size and locations of crack.
Based on the analytic expression for the elasto-dynamic behavior of rotating shaft, the transfer matrix is formulated for the shaft element with uniform cross-section. Timoshenko beam theory is Introduced for modeling the behavior of shaft. Complex variables representing the displacement, slope, moment and shear force are used for deriving the transfer matrix between both ends of the shaft element. Simulation result obtained by applying the transfer matrix to a general rotor model is compared with the reference result and proved to be exact. Natural frequencies and the corresponding modes are analyzed with varying the bearing: stiffness. The generally used bearings are considered for discussions. and the bearing stiffness is shown to affect the vibration characteristics of rotor.
Ozge Ozdemir;Huseyin Ural;Alexandre de Macedo Wahrhaftig
Advances in nano research
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제16권5호
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pp.445-458
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2024
The objective of this paper is to present free vibration and static stability analyses of rotating composite beams reinforced with carbon nanotubes (CNTs) under uniform thermal loads. Beam structural equations and CNT-reinforced composite (CNTRC) beam formulations are derived based on Timoshenko beam theory (TBT). The temperature-dependent properties of the beam material, such as the elastic modulus, shear modulus, and material density, are assumed to vary over the thickness according to the rule of mixture. The beam material is modeled as a mixture of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) in an isotropic matrix. The SWCNTs are aligned and distributed in the isotropic matrix with different patterns of reinforcement, namely the UD (uniform), FG-O, FG-V, FG- Λ and FG-X distributions, where FG-V and FG- Λ are asymmetric patterns. Numerical examples are presented to illustrate the effects of several essential parameters, including the rotational speed, hub radius, effective material properties, slenderness ratio, boundary conditions, thermal force, and moments due to temperature variation. To the best of the authors' knowledge, this study represents the first attempt at the finite element modeling of rotating CNTRC Timoshenko beams under a thermal environment. The results are presented in tables and figures for both symmetric and asymmetric distribution patterns, and can be used as benchmarks for further validation.
An improved method is presented to estimate the axial force of a bar member with vibrational measurements based on modified Timoshenko beam theory. Bending stiffness effects, rotational inertia, shear deformation, rotational inertia caused by shear deformation are all taken into account. Axial forces are estimated with certain natural frequency and corresponding mode shape, which are acquired from dynamic tests with five accelerometers. In the paper, modified Timoshenko beam theory is first presented with the inclusion of axial force and rotational inertia effects. Consistent mass and stiffness matrices for the modified Timoshenko beam theory are derived and then used in finite element simulations to investigate force identification accuracy under different boundary conditions and the influence of critical axial force ratio. The deformation coefficient which accounts for rotational inertia effects of the shearing deformation is discussed, and the relationship between the changing wave speed and the frequency is comprehensively examined to improve accuracy of the deformation coefficient. Finally, dynamic tests are conducted in our laboratory to identify progressive axial forces of a steel plate and a truss structure respectively. And the axial forces identified by the proposed method are in good agreement with the forces measured by FBG sensors and strain gauges. A significant advantage of this axial force identification method is that no assumption on boundary conditions is needed and excellent force identification accuracy can be achieved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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