Interface de cálculo modal e visualização para estruturas flexíveis tipo Euler-Bernoulli

Neste trabalho, foram analisadas, implementadas e mostradas as características de uma interface com estrutura de programação genérica para o ambiente Windows, criando facilidades de rapidez, confiabilidade e a apresentação de resultados aos usuários do sistema matemático Maple na criação e uso de aplicações matemáticas. A interface utilizou como modelo de implementação cálculos modais de vigas clássicas de Euler-Bernoulli. O usuário encontra, em um único sistema, cálculo para vigas clássicas, terá uma entrada de dados facilitada de variáveis que serão substituídas automaticamente no programa fonte da viga e a geração de resultados em um ambiente amigável com dados e gráficos mostrados de forma organizados.

A Transmission Problem for Euler-Bernoulli beam with Kelvin-Voigt Damping

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Timoshenko versus Euler beam theory: Pitfalls of a deterministic approach

The selection criteria for Euler-Bernoulli or Timoshenko beam theories are generally given by means of some deterministic rule involving beam dimensions. The Euler-Bernoulli beam theory is used to model the behavior of flexure-dominated (or ""long"") beams. The Timoshenko theory applies for shear-dominated (or ""short"") beams. In the mid-length range, both theories should be equivalent, and some agreement between them would be expected. Indeed, it is shown in the paper that, for some mid-length beams, the deterministic displacement responses for the two theories agrees very well. However, the article points out that the behavior of the two beam models is radically different in terms of uncertainty propagation. In the paper, some beam parameters are modeled as parameterized stochastic processes. The two formulations are implemented and solved via a Monte Carlo-Galerkin scheme. It is shown that, for uncertain elasticity modulus, propagation of uncertainty to the displacement response is much larger for Timoshenko beams than for Euler-Bernoulli beams. On the other hand, propagation of the uncertainty for random beam height is much larger for Euler beam displacements. Hence, any reliability or risk analysis becomes completely dependent on the beam theory employed. The authors believe this is not widely acknowledged by the structural safety or stochastic mechanics communities. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

EVALUATING VIBRATIONS ON A SMALL-SCALE MODEL OF A TIMBER FOOTBRIDGE

In Brazil, the study of pedestrian-induced vibration on footbridges has been undertaken since the early 1990s, for concrete and steel footbridges. However, there are no recorded studies of this kind for timber footbridges. Brazilian code ABNT NBR 7190 (1997) gives design requirements only for static loads in the case of timber footbridges, without considering the serviceability limit state from pedestrian-induced vibrations. The aim of this work is to perform a theoretical dynamic, numerical and experimental analysis on simply-supported timber footbridges, by using a small-scale model developed from a 24 m span and 2 m width timber footbridge, with two main timber beams. Span and width were scaled down (1:4) to 6 m e 0.5 in, respectively. Among the conclusions reached herein, it is emphasized that the Euler-Bernoulli beam theory is suitable for calculating the vertical and lateral first natural frequencies in simply-supported timber footbridges; however, special attention should be given to the evaluation of lateral bending stiffness, as it leads to conservative values.

Galerkin Solution of Stochastic Beam Bending on Winkler Foundations

In this paper, the Askey-Wiener scheme and the Galerkin method are used to obtain approximate solutions to stochastic beam bending on Winkler foundation. The study addresses Euler-Bernoulli beams with uncertainty in the bending stiffness modulus and in the stiffness of the foundation. Uncertainties are represented by parameterized stochastic processes. The random behavior of beam response is modeled using the Askey-Wiener scheme. One contribution of the paper is a sketch of proof of existence and uniqueness of the solution to problems involving fourth order operators applied to random fields. From the approximate Galerkin solution, expected value and variance of beam displacement responses are derived, and compared with corresponding estimates obtained via Monte Carlo simulation. Results show very fast convergence and excellent accuracies in comparison to Monte Carlo simulation. The Askey-Wiener Galerkin scheme presented herein is shown to be a theoretically solid and numerically efficient method for the solution of stochastic problems in engineering.

A contribution to the exact modal solution of in-plane beam structures

The exact vibration modes and natural frequencies of planar structures and mechanisms, comprised Euler-Bernoulli beams, are obtained by solving a transcendental. nonlinear, eigenvalue problem stated by the dynamic stiffness matrix (DSM). To solve this kind of problem, the most employed technique is the Wittrick-Williams algorithm, developed in the early seventies. By formulating a new type of eigenvalue problem, which preserves the internal degrees-of-freedom for all members in the model, the present study offers an alternative to the use of this algorithm. The new proposed eigenvalue problem presents no poles, so the roots of the problem can be found by any suitable iterative numerical method. By avoiding a standard formulation for the DSM, the local mode shapes are directly calculated and any extension to the beam theory can be easily incorporated. It is shown that the method here adopted leads to exact solutions, as confirmed by various examples. Extensions of the formulation are also given, where rotary inertia, end release, skewed edges and rigid offsets are all included. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Análise numérica de freqüência natural de materiais compósitos híbridos com memória de forma

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2007.

Critical Velocity obtained using Simplified Models of the Railway Track: Viability and Applicability

Increased demands on the capacity of the railway network gave rise to new issues related to the dynamic response of railway tracks subjected to moving vehicles. Thus, it becomes important to evaluate the applicability of traditionally used simplified models which have a closed form solution. Regarding simplified models, transversal vibrations of a beam on a visco-elastic foundation subjected to a moving load are considered. Governing equations are obtained by Hamilton’s principle. Shear distortion, rotary inertia and effect of axial force are accounted for. The load is introduced as a time varying force moving at a constant velocity. Transversal vibrations induced by the load are solved by the normal-mode analysis. Reflected waves at the extremities of the full beam are avoided by introduction of semi-infinite elements. Firstly, the critical velocity obtained from this model is compared with results of an undamped Euler- Bernoulli formulation with zero axial force. Secondly, a finite element model in ABAQUS is examined. The new contribution lies in the introduction of semi- infinite elements and in the first step to a systematic comparison, which have not been published so fa

Optimização estrutural aplicada à melhoria da precisão de quinagem

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

High-resolution numerical modelling of flow-vegetation interactions

In this paper, we present and apply a new three-dimensional model for the prediction of canopy-flow and turbulence dynamics in open-channel flow. The approach uses a dynamic immersed boundary technique that is coupled in a sequentially staggered manner to a large eddy simulation. Two different biomechanical models are developed depending on whether the vegetation is dominated by bending or tensile forces. For bending plants, a model structured on the Euler-Bernoulli beam equation has been developed, whilst for tensile plants, an N-pendula model has been developed. Validation against flume data shows good agreement and demonstrates that for a given stem density, the models are able to simulate the extraction of energy from the mean flow at the stem-scale which leads to the drag discontinuity and associated mixing layer.

Using passive techniques for vibration damping in mechanical systems

This paper examines two passive techniques for vibration reduction in mechanical systems: the first one is based on dynamic vibration absorbers (DVAs) and the second uses resonant circuit shunted (RCS) piezoceramics. Genetic algorithms are used to determine the optimal design parameters with respect to performance indexes, which are associated with the dynamical behavior of the system over selected frequency bands. The calculation of the frequency response functions (FRFs) of the composite structure (primary system + DVAs) is performed through a substructure coupling technique. A modal technique is used to determine the frequency response function of the structure containing shunted piezoceramics which are bonded to the primary structure. The use of both techniques simultaneously on the same structure is investigated. The methodology developed is illustrated by numerical applications in which the primary structure is represented by simple Euler-Bernoulli beams. However, the design aspects of vibration control devices presented in this paper can be extended to more complex structures.

Vibrações naturais em um sistema de interação viga-água incluindo o efeito de onda de superfície

Este trabalho tem como objetivo o estudo modal de um sistema estruturafluído, modelado pela equação de Euler-Bernoulli, para uma viga elástica, sujeita a pressão da água, e por ondas de superfície livre. O sistema acoplado possui condições para o domínio sólido (viga fixa-livre), para o domínio fluído (impermeabilidade e rigidez inferior), com ondas de superfície, e de interfacec fluido-estrutura (condições de continunidade na deflexão, ângulo de rotação, força de corte interno e momento de curvatura). Para deteerminar as vibrações livres e deslocamento no seco e no molhado, utiliza-se o método espectral para eliminar a dependência oscilatória temporal e concentrar-se na determinação dos modos através do estudo de problemas de contornos espaciais. Os modos podem ser calculados com o uso da base clássica de Euler ou da base dinâmica gerada pela resposta impulso. Foram feitas simulações para um material específico, e apresentados os resultados obtidos.

Vibrações naturais em um sistema de interação viga-água sem o efeito de onda de superfície livre

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o comportamento dinâmico de sistemas flexíveis com interação viga-água. Especificamente, é escolhida uma barragem freqüentemente encontrada em problemas de engenharia de irrigação e represas. O modelo matemático utilizado para descrever tal fenômeno tem como variáveis principais a pressão hidrodinâmica e os deslocamentos horizontais da barragem. Uma vez formuladas as equações governantes de tal sistema, que resultam em uma equação de onda para a pressão e uma equação de Euler-Bernoulli para os deslocamentos, é utilizada a técnica de separação de variáveis para proceder à sua solução. Por simplicidade, assumiu-se que no modelo não havia o efeito de onda da superfície livre. Primeiro, foi resolvida a equação para a pressão, sendo calculadas as suas componentes temporais e espaciais. Depois, foi resolvida a equação de Euler-Bernoulli junto com a condição de interface. Foram simulações para o material específico, e apresentados os resultados conseguidos. No final do trabalho são enunciadas as conclusões pertinentes.

Modos em vigas com secção transversal de variação linear

O objetivo principal deste trabalho é a obtenção dos modos e as freqüências naturais de vigas de variação linear e em forma de cunha, com condições de contorno clássicas e não-clássicas, descritas pelo modelo estrutural de Euler-Bernoulli. A forma dos modos foi determinado com o uso das funções cilíndricas. No caso forçado se considera uma força harmônica e se resolve o problema pelo método espectral, utuilizando o software simbólico Maple V5. Realiza-se uma análise comparativa dos resultados obtidos com os resultados existentes na literatura para vigas uniformes.

Uma metodologia unificada no domínio tempo para sistemas concentrados, discretos e distribuídos

A resposta impulso é utilizada como ferramenta padrão no estudo direto de sistemas concentrados, discretos e distribuídos de ordem arbitrária. Esta abordagem leva ao desenvolvimento de uma plataforma unificada para a obtenção de respostas dinâmicas. Em particular, as respostas forçadas dos sistemas são decompostas na soma de uma resposta permanente e de uma resposta livre induzida pelos valores iniciais da resposta permanente. A teoria desenvolve-se de maneira geral e direta para sistemas de n-ésima ordem, introduzindo-se a base dinâmica gerada pela resposta impulso na forma padrão e normalizada, sem utilizar-se a formulação de estado, através da qual reduz-se um sistema de ordem superior para um sistema de primeira ordem. Considerou-se sistemas de primeira ordem a fim de acompanhar-se os muitos resultados apresentados na literatura através da formulação de espaço de estado. Os métodos para o cálculo da resposta impulso foram classificados em espectrais, não espectrais e numéricos. A ênfase é dada aos métodos não espectrais, pois a resposta impulso admite uma fórmula fechada que requer o uso de três equações características do tipo algébrica, diferencial e em diferenças Realizou-se simulações numéricas onde foram apresentados modelos vibratórios clássicos e não clássicos. Os sistemas considerados foram sistemas do tipo concentrado, discreto e distribuído. Os resultados da decomposição da resposta dinâmica de sistemas concentrados diante de cargas harmônicas e não harmônicas foram apresentados em detalhe. A decomposição para o caso discreto foi desenvolvida utilizando-se os esquemas de integração numérica de Adams-Basforth, Strömer e Numerov. Para sistemas distribuídos, foi considerado o modelo de Euler-Bernoulli com força axial, sujeito a entradas oscilatórias com amplitude triangular, pulso e harmônica. As soluções permanentes foram calculadas com o uso da função de Green espacial. A resposta impulso foi aproximada com o uso do método espectral.