تحلیل ارتعاشات آزاد و اجباری در یک تیر ویسکوالاستیک میکرو، مدل شده با استفاده از مدل ویسکوالاستیک مرتبه کسری کلوین- وویت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر

3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر

4 دانشکده ریاضی و علوم کامپیوتر گروه آموزشی ریاضی کاربردی

چکیده

در سال­های اخیر با رشد حسابان کسری به تدریج کاربردهای ریاضیات مرتبه کسری در علوم مهندسی در حال پیدایش هستند. یکی از کاربردهایی که در سال­های اخیر توجه محققان را به خود جلب کرده است مدل­سازی مواد ویسکوالاستیک با استفاده از حسابان کسری است. در این پژوهش یک تیر میکرو که با استفاده از مدل ویسکوالاستیک کسری کلوین- وویت[i] مدل­سازی شده، بررسی می­گردد. تیر مورد نظر در این پژوهش با درنظر گرفتن کرنش­های خطی، تئوری تنش کوپل اصلاح شده (MCST[ii])، مدل ویسکوالاستیک مرتبه کسری کلوین- وویت مدل­­سازی می­شود و با استفاده از اصل هامیلتون[iii]، معادله حرکت به صورت یک معادله­ مرتبه کسری با مشتقات جزئی حاصل می­شود. معادله به‌دست آمده با استفاده از ترکیب المان محدود و تفاضل محدود حل می­­شود. معادلات در حوزه زمان با استفاده از تفاضل محدود و در حوزه مکان با استفاده از المان محدود و گالرکین گسسته‌سازی می­شوند. شبیه­سازی­های انجام شده نشان می­دهد که مشتق مرتبه کسری تأثیر فراوانی در دامنه و پاسخ ارتعاشات آزاد و اجباری تیر مورد نظر دارد و باعث افزایش یا کاهش میرایی می­شود. علاوه‌بر این اثرات طول تیر و ضریب میرایی ویسکوالاستیک نیز بررسی شده­اند. نتایج نشان می‌د­هند پدیده تشدید اثرات مشتق مرتبه کسری را نیز به شدت تحت تأثیر قرار می­دهند. نتایچ این مقاله می­تواند برای بهبود مدل­سازی مواد ویسکوالاستیک به‌کار گرفته شود.



[i]. Kelvin Voigt fractional viscoelastic model


[ii]. Modified Couple Stress Theory


[iii]. Hamilton’s principle

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Di Lorenzo, S., Pinnola, F.P. and Pirrotta, A., “On the dynamics of fractional visco-elastic beams”,  In ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2012, Vol. 45202, pp. 1273-1281, American Society of Mechanical Engineers.
[2]        Cajić, M., Karličić, D. and Lazarević, M., “Damped vibration of a nonlocal nanobeam resting on viscoelastic foundation: fractional derivative model with two retardation times and fractional parameters”, Meccanica, 2017, Vol.52, no.1-2, pp.363-382.
[3]        Srivastava, H.M., Kumar, D. and Singh, J., “An efficient analytical technique for fractional model of vibration equation”, Applied Mathematical Modelling, 2017, Vol.45, pp.192-204.
[4] Amabili, Marco, "Nonlinear damping in large-amplitude vibrations: modelling and experiments", Nonlinear Dynamics, 2018, Vol.93, no.1, pp.5-18.
[5] Bahraini, Seyed Masoud Sotoodeh, Mohammad Eghtesad, Mehrdad Farid, and Esmaeal Ghavanloo, "Large deflection of viscoelastic beams using fractional derivative model", Journal of Mechanical Science and Technology, 2013, Vol.27, no.4, pp.1063-1070.
[6] Tang, Ye, Yaxin Zhen, and Bo Fang, "Nonlinear vibration analysis of a fractional dynamic model for the viscoelastic pipe conveying fluid", Applied Mathematical Modelling, 2018, Vol.56, pp.123-136.
[7] Permoon, M. R., H. Haddadpour, and M. Javadi, "Nonlinear vibration of fractional viscoelastic plate: primary, subharmonic, and superharmonic response", International Journal of Non-Linear Mechanics, 2018, Vol.99, pp.154-164.
[8] Lewandowski, Roman, and Przemysław Wielentejczyk, "Nonlinear vibration of viscoelastic beams described using fractional order derivatives", Journal of Sound and Vibration, 2017, Vol.399, pp.228-243.
[9] Colinas-Armijo, N., S. Cutrona, M. Di Paola, and A. Pirrotta, "Fractional viscoelastic beam under torsion", Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2017, Vol.48, pp.278-287.
[10] Lewandowski, Roman, and ZdzisŁaw Pawlak, "Dynamic analysis of frames with viscoelastic dampers modelled by rheological models with fractionalderivatives", Journal of sound and Vibration, 2011, Vol.330, no.5, pp.923-936.
[11] Ansari, R., M. Faraji Oskouie, and H. Rouhi, "Studying linear and nonlinear vibrations of fractional viscoelastic Timoshenko micro-/nano-beams using the strain gradient theory", Nonlinear Dynamics, 2017, Vol.87, no.1, pp.695-711.
[12] Ansari, R., M. Faraji Oskouie, F. Sadeghi, and M. Bazdid-Vahdati, "Free vibration of fractional viscoelastic Timoshenko nanobeams using the nonlocal elasticity theory", Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures, 2015, Vol.74, pp.318-327.
[13] Shitikova, Marina V., Yury A. Rossikhin, and Vladimir Kandu, "Interaction of internal and external resonances during force driven vibrations of a nonlinear thin plate embedded into a fractional derivative medium", Procedia engineering, 2017, Vol.199, pp.832-837.
[14] Hosseinkhani, Ali, and Davood Younesian, "Vibro-acoustic analysis of the railway tracks with fractional railpads and nonlinear ballast", International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2017, Vol.17, no.09, p.1750105.
[15] Litewka, Przemysław, and Roman Lewandowski, "Steady-state non-linear vibrations of plates using Zener material model with fractional derivative", Computational Mechanics, 2017, Vol.60, no.2, pp.333-354.
[16] Rossikhin, Yury A., Marina V. Shitikova, and Basem Ajarmah, "Numerical analysis of non-linear vibrations of a fractionally damped cylindrical shell under the conditions of combinational internal resonance", In MATEC Web of Conferences, 2018, Vol.148, p.03006., EDP Sciences.
[17] Oskouie, M. Faraji, R. Ansari, and F. Sadeghi, "Nonlinear vibration analysis of fractional viscoelastic Euler—Bernoulli nanobeams based on the surface stress theory", Acta Mechanica Solida Sinica, 2017, Vol.30, no.4, pp.416-424.
[18] Li, Lei, and Qi-chang Zhang, "Nonlinear dynamic analysis of electrically actuated viscoelastic bistable microbeam system", Nonlinear Dynamics, 2017, Vol.87, no.1, pp.587-604.
[19] Lougou, Komla Gaboutou, Hakim Boudaoud, El Mostafa Daya, and Lahcen Azrar, "Vibration modeling of large repetitive sandwich structures with viscoelastic core", Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2016, Vol.23, no.4, pp.458-466.
[20] Javadi, M., M. A. Noorian, and Saied Irani, "Primary and secondary resonances in pipes conveying fluid with the fractional viscoelastic model", Meccanica, 2019, Vol.54, no.14, pp.2081-2098.
[21] Lewandowski, Roman, and Marcin Baum, "Dynamic characteristics of multilayered beams with viscoelastic layers described by the fractional Zener model",  Archive of Applied Mechanics, 2015, Vol.85, no.12, pp.1793-1814.
[22] He, X. Q., M. Rafiee, S. Mareishi, and K. M. Liew, "Large amplitude vibration of fractionally damped viscoelastic CNTs/fiber/polymer multiscale composite beams", Composite Structures, 2015, Vol.131, pp.1111-1123.
[23] Li, Changpin, and Fanhai Zeng, “Numerical methods for fractional calculus”, CRC Press, 2015, Vol.24.
[24] Farokhi, Hamed, and Mergen H. Ghayesh, "Size-dependent parametric dynamics of imperfect microbeams", International Journal of Engineering Science, 2016, Vol.99, pp.39-55.