Theoretical and numerical investigation of bending properties of Cu nanowires

Based on the AFM-bending experiments, a molecular dynamics (MD) bending simulation model is established which could accurately account for the full spectrum of the mechanical properties of NWs in a double clamped beam configuration, ranging from elasticity to plasticity and failure. It is found that, loading rate exerts significant influence to the mechanical behaviours of nanowires (NWs). Specifically, a loading rate lower than 10 m/s is found reasonable for a homogonous bending deformation. Both loading rate and potential between the tip and the NW are found to play an important role in the adhesive phenomenon. The force versus displacement (F-d) curve from MD simulation is highly consistent in shapes with that from experiments. Symmetrical F-d curves during loading and unloading processes are observed, which reveal the linear-elastic and non-elastic bending deformation of NWs. The typical bending induced tensile-compressive features are observed. Meanwhile, the simulation results are excellently fitted by the classical Euler-Bernoulli beam theory with axial effect. It is concluded that, axial tensile force becomes crucial in bending deformation when the beam size is down to nanoscale for double clamped NWs. In addition, we find shorter NWs will have an earlier yielding and a larger yielding force. Mechanical properties (Young’s modulus & yield strength) obtained from both bending and tensile deformations are found comparable with each other. Specifically, the modulus is essentially similar under these two loading methods, while the yield strength during bending is observed larger than that during tension.

A fundamental numerical and theoretical study for the vibrational properties of nanowires

Based on the molecular dynamics (MD) simulation and the classical Euler-Bernoulli beam theory, a fundamental study of the vibrational performance of the Ag nanowire (NW) is carried out. A comprehensive analysis of the quality (Q)-factor, natural frequency, beat vibration, as well as high vibration mode is presented. Two excitation approaches, i.e., velocity excitation and displacement excitation, have been successfully implemented to achieve the vibration of NWs. Upon these two kinds of excitations, consistent results are obtained, i.e., the increase of the initial excitation amplitude will lead to a decrease to the Q-factor, and moderate plastic deformation could increase the first natural frequency. Meanwhile, the beat vibration driven by a single relatively large excitation or two uniform excitations in both two lateral directions is observed. It is concluded that the nonlinear changing trend of external energy magnitude does not necessarily mean a nonconstant Q-factor. In particular, the first order natural frequency of the Ag NW is observed to decrease with the increase of temperature. Furthermore, comparing with the predictions by Euler- Bernoulli beam theory, the MD simulation provides a larger and smaller first vibration frequencies for the clamped-clamped and clamped-free thin Ag NWs, respectively. Additionally, for thin NWs, the first order natural frequency exhibits a parabolic relationship with the excitation magnitudes. The frequencies of the higher vibration modes tend to be low in comparison to Euler-Bernoulli beam theory predictions. A combined initial excitation is proposed which is capable to drive the NW under a multi-mode vibration and arrows the coexistence of all the following low vibration modes. This work sheds lights on the better understanding of the mechanical properties of NWs and benefits the increasing utilities of NWs in diverse nano-electronic devices.

Surface effects on the dual-mode vibration of <110> silver nanowires with different cross-sections

Dual-mode vibration of nanowires has been reported experimentally through actuation of the nanowire at its resonance frequency, which is expected to open up a variety of new modalities for the NEMS that could operate in the nonlinear regime. In the present work, we utilize large scale molecular dynamics simulations to investigate the dual-mode vibration of <110> Ag nanowires with triangular, rhombic and truncated rhombic cross-sections. By incorporating the generalized Young-Laplace equation into Euler-Bernoulli beam theory, the influence of surface effects on the dual-mode vibration is studied. Due to the different lattice spacing in principal axes of inertia of the {110} atomic layers, the NW is also modeled as a discrete system to reveal the influence from such specific atomic arrangement. It is found that the <110> Ag NW will under a dual-mode vibration if the actuation direction is deviated from the two principal axes of inertia. The predictions of the two first mode natural frequencies by the classical beam model appear underestimated comparing with the MD results, which are found to be enhanced by the discrete model. Particularly, the predictions by the beam theory with the contribution of surface effects are uniformly larger than the classical beam model, which exhibit better agreement with MD results for larger cross-sectional size. However, for ultrathin NWs, current consideration of surface effects is still experiencing certain inaccuracy. In all, for all different cross-sections, the inclusion of surface effects is found to reduce the difference between the two first mode natural frequencies. This trend is observed consistent with MD results. This study provides a first comprehensive investigation on the dual-mode vibration of <110> oriented Ag NWs, which is supposed to benefit the applications of NWs that acting as a resonating beam.

Vertical dynamic interaction of trains and rail steel bridges

Rail steel bridges are vulnerable to high impact forces due to the passage of trains; unfortunately the determination of these transient impact forces is not straightforward as these are affected by a large number of parameters, including the wagon design, the wheel-rail contact and the design parameters of the bridge deck and track, as well as the operational parameters – wheel load and speed. To determine these impact forces, a detailed rail train-track/bridge dynamic interaction model has been developed, which includes a comprehensive train model using multi-body dynamics approach and a flexible track/bridge model using Euler– Bernoulli beam theory. Single and multi-span bridges have been modelled to examine their dynamic characteristics. From the single span bridge, the train critical speed is determined; the minimum distance of two peak loadings is found to affect the train critical speed. The impact factor and the dynamic characteristics are discussed.

Theoretical Estimation of Length Dependent In-Plane Stiffness of Single Walled Carbon Nanotubes Using the Nonlocal Elasticity Theory

In the present paper, Eringen's nonlocal elasticity theory is employed to evaluate the length dependent in-plane stiffness of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The SWCNT is modeled as an Euler-Bernoulli beam and is analyzed for various boundary conditions to evaluate the length dependent in-plane stiffness. It has been found that the nonlocal scaling parameter has a significant effect on the length dependent in-plane stiffness of SWCNTs. It has been observed that as the nonlocal scale parameter increases the stiffness ratio of SWCNT decreases. In nonlocality, the cantilever SWCNT has high in-plane stiffness as compared to the simply-supported and the clamped cases.

Active Vibration Suppression of One-dimensional Nonlinear Structures Using Optimal Dynamic Inversion

A flexible robot arm can be modeled as an Euler-Bernoulli beam which are infinite degrees of freedom (DOF) system. Proper control is needed to track the desired motion of a robotic arm. The infinite number of DOF of beams are reduced to finite number for controller implementation, which brings in error (due to their distributed nature). Therefore, to represent reality better distributed parameter systems (DPS) should be controlled using the systems partial differential equation (PDE) directly. In this paper, we propose to use a recently developed optimal dynamic inversion technique to design a controller to suppress nonlinear vibration of a beam. The method used in this paper determines control forces directly from the PDE model of the system. The formulation has better practical significance, because it leads to a closed form solution of the controller (hence avoids computational issues).

Dynamics of rotating composite beams: A comparative study between CNT reinforced polymer composite beams and laminated composite beams using spectral finite elements

This paper presents a spectral finite element formulation for uniform and tapered rotating CNT embedded polymer composite beams. The exact solution to the governing differential equation of a rotating Euler-Bernoulli beam with maximum centrifugal force is used as an interpolating function for the spectral element formulation. Free vibration and wave propagation analysis is carried out using the formulated spectral element. The present study shows the substantial effect of volume fraction and L/D ratio of CNTs in a beam on the natural frequency, impulse response and wave propagation characteristics of the rotating beam. It is found that the CNTs embedded in the matrix can make the rotating beam non-dispersive in nature at higher rotation speeds. Embedded CNTs can significantly alter the dynamics of polymer-nanocomposite beams. The results are also compared with those obtained for carbon fiber reinforced laminated composite rotating beams. It is observed that CNT reinforced rotating beams are superior in performance compared to laminated composite rotating beams. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fractal dimension method for delamination detection in composite beams

A new delaminated composite beam element is formulated for Timoshenko as well as Euler-Bernoulli beam models. Shape functions are derived from Timoshenko functions; this provides a unified formulation for slender to moderately deep beam analyses. The element is simple and easy to implement, results are on par with those from free mode delamination models. Katz fractal dimension method is applied on the mode shapes obtained from finite element models, to detect the delamination in the beam. The effect of finite element size on fractal dimension method of delamination detection is quantified.

Exploring isospectral cantilever beams using electromagnetism inspired optimization technique

Isospectral beams have identical free vibration frequency spectrum for a specific boundary condition. The problem of finding non-uniform beams which are isospectral to a given uniform beam, with fixed-free boundary condition, leads to a multimodal optimization problem. The first Q natural frequencies of the given uniform Euler-Bernoulli beam are determined using analytical solution. The first Q natural frequencies of a non-uniform beam are obtained with the help of finite element modeling. In order to obtain the non-uniform beams isospectral to a given uniform beam, an error function is designed, which calculates the difference between the spectra of the given uniform beam and the non-uniform beam. In our study, this error function is minimized using electromagnetism inspired optimization technique, a population based iterative algorithm inspired by the attraction-repulsion physics of electromagnetism. Numerical results show the existence of the isospectral non-uniform beams for a given uniform beam, which occur as local minima. Non-uniform beams isospectral to a damaged beam, are also explored using the proposed methodology to illustrate the fact that accurate structural damage identification is difficult by just frequency measurements. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Efficient coupled polynomial interpolation scheme for out-of-plane free vibration analysis of curved beams

The performance of two curved beam finite element models based on coupled polynomial displacement fields is investigated for out-of-plane vibration of arches. These two-noded beam models employ curvilinear strain definitions and have three degrees of freedom per node namely, out-of-plane translation (v), out-of-plane bending rotation (theta(z)) and torsion rotation (theta(s)). The coupled polynomial interpolation fields are derived independently for Timoshenko and Euler-Bernoulli beam elements using the force-moment equilibrium equations. Numerical performance of these elements for constrained and unconstrained arches is compared with the conventional curved beam models which are based on independent polynomial fields. The formulation is shown to be free from any spurious constraints in the limit of `flexureless torsion' and `torsionless flexure' and hence devoid of flexure and torsion locking. The resulting stiffness and consistent mass matrices generated from the coupled displacement models show excellent convergence of natural frequencies in locking regimes. The accuracy of the shear flexibility added to the elements is also demonstrated. The coupled polynomial models are shown to perform consistently over a wide range of flexure-to-shear (EI/GA) and flexure-to-torsion (EI/GJ) stiffness ratios and are inherently devoid of flexure, torsion and shear locking phenomena. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Identificação de danos em estruturas bi-dimensionais via matriz de flexibilidade baseado em um modelo de dano contínuo

No presente trabalho, o modelo de identificação de danos apresentado por Stutz et al. (2005) é utilizado. A contribuição do presente trabalho consiste em avaliar alguns pontos da identificação de danos em vigas e, em seguida, expandir o modelo para identificar danos estruturais em placas. Uma avaliação do comportamento das frequências naturais e da matriz de flexibilidade para uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, na presença de danos simulados pelo parâmetro de coesão é realizada. Essa análise, permite também o conhecimento das regiões onde há maior sensibilidade ao dano, ajudando a traçar estratégias para melhorar a identificação de danos em regiões que sofrem poucas alterações na presença de falhas estruturais. Comparou-se o comportamento dos dois primeiros modos de vibração da viga simplesmente apoiada na presença de um dano estrutural, com os dois primeiros modos de vibração da estrutura intacta e corrompidos por ruído. Diversos métodos de localização de danos e de otimização são avaliados na tentativa de identificar os danos simulados através do campo de danos proposto por Stutz et al. (2005) na presença de dados ruidosos. Após a apresentação de resultados da identificação de danos obtidos para uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, uma análise do comportamento das frequências naturais e da matriz de flexibilidade de uma viga de Euler- Bernoulli engastada na presença de danos é apresentada, assim como os resultados de identificação de danos considerando-se diversos cenários e níveis de ruído. Uma importante contribuição do presente trabalho consiste em propor um método de identificação de danos via matriz de flexibilidade onde o campo de defeitos para a placa de Kirchoff é modelado via MEF. Uma análise do comportamento da matriz de flexibilidade devido à presença de danos na placa é apresentada, assim como os resultados numéricos da identificação de danos estruturais com e sem a presença de dados ruidosos. Com a finalidade de reduzir o custo computacional na identificação de danos em estruturas complexas, uma hibridização entre o método de otimização por enxame de particulas (PSO, do inglês, Particle Swarm Optimization) e o método de otimização Levenberg-Marquardt é proposta. Resultados numéricos da hibridização para uma estrutura do tipo placa são apresentados.

Identificação de danos estruturais via método de Monte Carlo com cadeias de Markov

O presente trabalho apresenta um estudo referente à aplicação da abordagem Bayesiana como técnica de solução do problema inverso de identificação de danos estruturais, onde a integridade da estrutura é continuamente descrita por um parâmetro estrutural denominado parâmetro de coesão. A estrutura escolhida para análise é uma viga simplesmente apoiada do tipo Euler-Bernoulli. A identificação de danos é baseada em alterações na resposta impulsiva da estrutura, provocadas pela presença dos mesmos. O problema direto é resolvido através do Método de Elementos Finitos (MEF), que, por sua vez, é parametrizado pelo parâmetro de coesão da estrutura. O problema de identificação de danos é formulado como um problema inverso, cuja solução, do ponto de vista Bayesiano, é uma distribuição de probabilidade a posteriori para cada parâmetro de coesão da estrutura, obtida utilizando-se a metodologia de amostragem de Monte Carlo com Cadeia de Markov. As incertezas inerentes aos dados medidos serão contempladas na função de verossimilhança. Três estratégias de solução são apresentadas. Na Estratégia 1, os parâmetros de coesão da estrutura são amostrados de funções densidade de probabilidade a posteriori que possuem o mesmo desvio padrão. Na Estratégia 2, após uma análise prévia do processo de identificação de danos, determina-se regiões da viga potencialmente danificadas e os parâmetros de coesão associados à essas regiões são amostrados a partir de funções de densidade de probabilidade a posteriori que possuem desvios diferenciados. Na Estratégia 3, após uma análise prévia do processo de identificação de danos, apenas os parâmetros associados às regiões identificadas como potencialmente danificadas são atualizados. Um conjunto de resultados numéricos é apresentado levando-se em consideração diferentes níveis de ruído para as três estratégias de solução apresentadas.

Identificação de danos estruturais utilizando dados no domínio do tempo provenientes de ensaios de vibração

O presente trabalho aborda o problema de identificação de danos em uma estrutura a partir de sua resposta impulsiva. No modelo adotado, a integridade estrutural é continuamente descrita por um parâmetro de coesão. Sendo assim, o Modelo de Elementos Finitos (MEF) é utilizado para discretizar tanto o campo de deslocamentos, quanto o campo de coesão. O problema de identificação de danos é, então, definido como um problema de otimização, cujo objetivo é minimizar, em relação a um vetor de parâmetros nodais de coesão, um funcional definido a partir da diferença entre a resposta impulsiva experimental e a correspondente resposta prevista por um MEF da estrutura. A identificação de danos estruturais baseadas no domínio do tempo apresenta como vantagens a aplicabilidade em sistemas lineares e/ou com elevados níveis de amortecimento, além de apresentar uma elevada sensibilidade à presença de pequenos danos. Estudos numéricos foram realizados considerando-se um modelo de viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada. Para a determinação do posicionamento ótimo do sensor de deslocamento e do número de pontos da resposta impulsiva, a serem utilizados no processo de identificação de danos, foi considerado o Projeto Ótimo de Experimentos. A posição do sensor e o número de pontos foram determinados segundo o critério D-ótimo. Outros critérios complementares foram também analisados. Uma análise da sensibilidade foi realizada com o intuito de identificar as regiões da estrutura onde a resposta é mais sensível à presença de um dano em um estágio inicial. Para a resolução do problema inverso de identificação de danos foram considerados os métodos de otimização Evolução Diferencial e Levenberg-Marquardt. Simulações numéricas, considerando-se dados corrompidos com ruído aditivo, foram realizadas com o intuito de avaliar a potencialidade da metodologia de identificação de danos, assim como a influência da posição do sensor e do número de dados considerados no processo de identificação. Com os resultados obtidos, percebe-se que o Projeto Ótimo de Experimentos é de fundamental importância para a identificação de danos.

Identificação de danos estruturais a partir do modelo de superfície de resposta

A identificação de danos estruturais é uma questão de fundamental importância na engenharia, visto que uma estrutura está sujeita a processos de deterioração e a ocorrência de danos durante a sua vida útil. A presença de danos compromete o desempenho e a integridade estrutural, podendo colocar vidas humanas em risco e resultam em perdas econômicas consideráveis. Técnicas de identificação de danos estruturais e monitoramento de estruturas fundamentadas no ajuste de um Modelo de Elementos Finitos (MEF) são constantes na literatura especializada. No entanto, a obtenção de um problema geralmente mal posto e o elevado custo computacional, inerente a essas técnicas, limitam ou até mesmo inviabilizam a sua aplicabilidade em estruturas que demandam um modelo de ordem elevada. Para contornar essas dificuldades, na formulação do problema de identificação de danos, pode-se utilizar o Modelo de Superfície de Reposta (MSR) em substituição a um MEF da estrutura. No presente trabalho, a identificação de danos estruturais considera o ajuste de um MSR da estrutura, objetivando-se a minimização de uma função de erro definida a partir das frequências naturais experimentais e das correspondentes frequências previstas pelo MSR. Estuda-se o problema de identificação de danos estruturais em uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, considerando as frequências naturais na formulação do problema inverso. O comportamento de uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada na presença de danos é analisado, com intuito de se verificar as regiões onde a identificação dos mesmos pode apresentar maior dificuldade. No processo de identificação de danos, do presente trabalho, são avaliados os tipos de superfícies de resposta, após uma escolha apropriada do tipo de superfície de resposta a ser utilizado, determina-se a superfície de resposta considerando os dados experimentais selecionados a partir do projeto ótimo de experimentos. A utilização do método Evolução Diferencial (ED) no problema inverso de identificação de danos é considerado inerente aos resultados numéricos obtidos, a estratégia adotada mostrou-se capaz de localizar e quantificar os danos com elevada acurácia, mostrando a potencialidade do modelo de identificação de danos proposto.

Swimming direction reversal of flagella through ciliary motion of mastigonemes.

Bio-inspired designs can provide an answer to engineering problems such as swimming strategies at the micron or nano-scale. Scientists are now designing artificial micro-swimmers that can mimic flagella-powered swimming of micro-organisms. In an application such as lab-on-a-chip in which micro-object manipulation in small flow geometries could be achieved by micro-swimmers, control of the swimming direction becomes an important aspect for retrieval and control of the micro-swimmer. A bio-inspired approach for swimming direction reversal (a flagellum bearing mastigonemes) can be used to design such a system and is being explored in the present work. We analyze the system using a computational framework in which the equations of solid mechanics and fluid dynamics are solved simultaneously. The fluid dynamics of Stokes flow is represented by a 2D Stokeslets approach while the solid mechanics behavior is realized using Euler-Bernoulli beam elements. The working principle of a flagellum bearing mastigonemes can be broken up into two parts: (1) the contribution of the base flagellum and (2) the contribution of mastigonemes, which act like cilia. These contributions are counteractive, and the net motion (velocity and direction) is a superposition of the two. In the present work, we also perform a dimensional analysis to understand the underlying physics associated with the system parameters such as the height of the mastigonemes, the number of mastigonemes, the flagellar wave length and amplitude, the flagellum length, and mastigonemes rigidity. Our results provide fundamental physical insight on the swimming of a flagellum with mastigonemes, and it provides guidelines for the design of artificial flagellar systems.