Wave propagation in single-walled carbon nanotube under longitudinal magnetic field using nonlocal Euler-Bernoulli beam theory

In the present work, the effect of longitudinal magnetic field on wave dispersion characteristics of equivalent continuum structure (ECS) of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) embedded in elastic medium is studied. The ECS is modelled as an Euler-Bernoulli beam. The chemical bonds between a SWCNT and the elastic medium are assumed to be formed. The elastic matrix is described by Pasternak foundation model, which accounts for both normal pressure and the transverse shear deformation. The governing equations of motion for the ECS of SWCNT under a longitudinal magnetic field are derived by considering the Lorentz magnetic force obtained from Maxwell's relations within the frame work of nonlocal elasticity theory. The wave propagation analysis is performed using spectral analysis. The results obtained show that the velocity of flexural waves in SWCNTs increases with the increase of longitudinal magnetic field exerted on it in the frequency range: 0-20 THz. The present analysis also shows that the flexural wave dispersion in the ECS of SWCNT obtained by local and nonlocal elasticity theories differ. It is found that the nonlocality reduces the wave velocity irrespective of the presence of the magnetic field and does not influences it in the higher frequency region. Further it is found that the presence of elastic matrix introduces the frequency band gap in flexural wave mode. The band gap in the flexural wave is found to independent of strength of the longitudinal magnetic field. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Coupled polynomial field approach for elimination of flexure and torsion locking phenomena in the Timoshenko and Euler-Bernoulli curved beam elements

The curvature related locking phenomena in the out-of-plane deformation of Timoshenko and Euler-Bernoulli curved beam elements are demonstrated and a novel approach is proposed to circumvent them. Both flexure and Torsion locking phenomena are noticed in Timoshenko beam and torsion locking phenomenon alone in Euler-Bernoulli beam. Two locking-free curved beam finite element models are developed using coupled polynomial displacement field interpolations to eliminate these locking effects. The coupled polynomial interpolation fields are derived independently for Timoshenko and Euler-Bernoulli beam elements using the governing equations. The presented of penalty terms in the couple displacement fields incorporates the flexure-torsion coupling and flexure-shear coupling effects in an approximate manner and produce no spurious constraints in the extreme geometric limits of flexure, torsion and shear stiffness. the proposed couple polynomial finite element models, as special cases, reduce to the conventional Timoshenko beam element and Euler-Bernoulli beam element, respectively. These 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. The efficacy, accuracy and reliability of the proposed models to straight and curved beam applications are demonstrated through numerical examples. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Analogy Between Rotating Euler-Bernoulli and Timoshenko Beams and Stiff Strings

The governing differential equation of a rotating beam becomes the stiff-string equation if we assume uniform tension. We find the tension in the stiff string which yields the same frequency as a rotating cantilever beam with a prescribed rotating speed and identical uniform mass and stiffness. This tension varies for different modes and are found by solving a transcendental equation using bisection method. We also find the location along the rotating beam where equivalent constant tension for the stiff string acts for a given mode. Both Euler-Bernoulli and Timoshenko beams are considered for numerical results. The results provide physical insight into relation between rotating beams and stiff string which are useful for creating basis functions for approximate methods in vibration analysis of rotating beams.

Closed-form solutions for non-uniform Euler-Bernoulli free-free beams

In this paper, the free vibration of a non-uniform free-free Euler-Bernoulli beam is studied using an inverse problem approach. It is found that the fourth-order governing differential equation for such beams possess a fundamental closed-form solution for certain polynomial variations of the mass and stiffness. An infinite number of non-uniform free-free beams exist, with different mass and stiffness variations, but sharing the same fundamental frequency. A detailed study is conducted for linear, quadratic and cubic variations of mass, and on how to pre-select the internal nodes such that the closed-form solutions exist for the three cases. A special case is also considered where, at the internal nodes, external elastic constraints are present. The derived results are provided as benchmark solutions for the validation of non-uniform free-free beam numerical codes. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modal tailoring and closed-form solutions for rotating non-uniform Euler-Bernoulli beams

In this paper, the free vibration of a rotating Euler-Bernoulli beam is studied using an inverse problem approach. We assume a polynomial mode shape function for a particular mode, which satisfies all the four boundary conditions of a rotating beam, along with the internal nodes. Using this assumed mode shape function, we determine the linear mass and fifth order stiffness variations of the beam which are typical of helicopter blades. Thus, it is found that an infinite number of such beams exist whose fourth order governing differential equation possess a closed form solution for certain polynomial variations of the mass and stiffness, for both cantilever and pinned-free boundary conditions corresponding to hingeless and articulated rotors, respectively. A detailed study is conducted for the first, second and third modes of a rotating cantilever beam and the first and second elastic modes of a rotating pinned-free beam, and on how to pre-select the internal nodes such that the closed-form solutions exist for these cases. The derived results can be used as benchmark solutions for the validation of rotating beam numerical methods and may also guide nodal tailoring. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Tailoring the second mode of Euler-Bernoulli beams: an analytical approach

In this paper, we study the inverse mode shape problem for an Euler-Bernoulli beam, using an analytical approach. The mass and stiffness variations are determined for a beam, having various boundary conditions, which has a prescribed polynomial second mode shape with an internal node. It is found that physically feasible rectangular cross-section beams which satisfy the inverse problem exist for a variety of boundary conditions. The effect of the location of the internal node on the mass and stiffness variations and on the deflection of the beam is studied. The derived functions are used to verify the p-version finite element code, for the cantilever boundary condition. The paper also presents the bounds on the location of the internal node, for a valid mass and stiffness variation, for any given boundary condition. The derived property variations, corresponding to a given mode shape and boundary condition, also provides a simple closed-form solution for a class of non-uniform Euler-Bernoulli beams. These closed-form solutions can also be used to check optimization algorithms proposed for modal tailoring.

Meshless Local Petrov-Galerkin Method for Rotating Euler-Bernoulli Beam

Free vibration problem of a rotating Euler-Bernoulli beam is solved with a truly meshless local Petrov-Galerkin method. Radial basis function and summation of two radial basis functions are used for interpolation. Radial basis function satisfies the Kronecker delta property and makes it simpler to apply the essential boundary conditions. Interpolation with summation of two radial basis functions increases the node carrying capacity within the sub-domain of the trial function and higher natural frequencies can be computed by selecting the complete domain as a sub-domain of the trial function. The mass and stiffness matrices are derived and numerical results for frequencies are obtained for a fixed-free beam and hinged-free beam simulating hingeless and articulated helicopter blades. Stiffness and mass distribution suitable for wind turbine blades are also considered. Results show an accurate match with existing literature.

Static analysis of Euler-Bernoulli beams with multiple unilateral cracks under combined axial and transverse loads

The paper deals with the static analysis of pre-damaged Euler-Bernoulli beams with any number of unilateral cracks and subjected to tensile or compression forces combined with arbitrary transverse loads. The mathematical representation of cracks with a bilateral behaviour (i.e. always open) via Dirac delta functions is extended by introducing a convenient switching variable, which allows each crack to be open or closed depending on the sign of the axial strain at the crack centre. The proposed model leads to analytical solutions, which depend on four integration constants (to be computed by enforcing the boundary conditions) along with the Boolean switching variables associated with the cracks (whose role is to turn on and off the additional flexibility due to the presence of the cracks). An efficient computational procedure is also presented and numerically validated. For this purpose, the proposed approach is applied to two pre-damaged beams, with different damage and loading conditions, and the results so obtained are compared against those given by a standard finite element code (in which the correct opening of the cracks is pre-assigned), always showing a perfect agreement. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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)

Respostas periódicas em sistemas lineares e fracamente não lineares não ressonantes e comportamento dinâmico de sistemas rotativos com o uso da base dinâmica

Este trabalho visa realizar o estudo do comportamento dinâmico de um eixo rotor flexível, modelado segundo a teoria de Euler-Bernoulli e caracterizar as respostas periódicas de sistemas LTI (sistemas lineares invariantes no tempo) e sistemas fracamente não lineares de ordem arbitrária. Para tanto, é utilizada a base dinâmica gerada pela resposta impulso ou solução fundamental. O comportamento dinâmico de um eixo rotor flexível foi discutido em termos da função de Green espacial e calculada de maneira não-modal. Foi realizado um estudo do problema de autovalor para o caso de um um eixo rotor biapoiado. As freqüências são obtidas e os modos escritos em termos da base dinâmica e da velocidade de rotação. As respostas periódicas de sistemas LTI, utilizadas nas aproximações com sistemas fracamente não lineares, são obtidas, independentemente da ordem do sistema, como um operador integral onde o núcleo é a função de Green T-periódica. Esta função é caracterizada em termos das propriedades de continuidade, periodicidade e salto da função de Green T-periódica, e da base dinâmica Simulações foram realizadas para sistemas concentrados, matriciais e escalares, com o objetivo de mostrar a validade da metodologia desenvolvida com as propriedades da função de Green T-periódica. Foi abordado um modelo não-linear para uma centrífuga utilizada na indústria textil [Starzinski, 1977].

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.