Determining the Spectrum of Eigenvalues and Eigenfunctions for the Bernoulli–Euler Equation with Variable Coefficients by the Peano Method

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper considers the problem of determining the natural frequencies and eigenwaves of transverse vibrations for the Bernoulli–Euler equation with variable coefficients. Such problems arise both in the case of complex geometry of a vibrating solid and in the case of functionally graded materials or the accumulation of damage in a classical elastic material. Solutions of boundary value problems are constructed using the expansion in Peano series. Under broad assumptions, the uniform convergence of Peano series is shown and estimates of the residual terms are obtained. Examples of the numerical implementation of the proposed procedure are given for bending vibrations of a rod with certain parameters of a variable cross section (geometric heterogeneity) and elastic modulus distribution (physical heterogeneity). Numerical examples are focused on assessing the geometric and elastic properties of samples in an experimental study of the fatigue strength of alloys during high-frequency cyclic tests based on the general principle of point resonant loading. The method proposed for solving problems of resonant vibrations for the Bernoulli–Euler equation can be used in the design of new promising cyclic test schemes and mathematical modeling of fatigue failure processes under high-frequency resonant vibrations.

About the authors

D. D. Zakharov

Institute of Computer Aided Design, Russian Academy of Sciences

Email: dmitrii.zakharov@gmail.com
123056, Moscow, Russia

I. S. Nikitin

Institute of Computer Aided Design, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: i_nikitin@list.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Gudmundson P. Eigenfrequency changes of structures due to cracks, notches or other geometrical changes // J. Mech. Phys. Solids. 1982. V. 30. № 5. P. 339–353.
  2. Dimarogonas A.D. Vibration of cracked structures: a state of the art review // Engineer. Fracture Mech. 1996. V. 55. № 5. P. 831–857.
  3. Shifrin E., Ruotolo R. Natural frequencies of a beam with an arbitrary number of cracks // J. Sound Vibrat. 1999. V. 222. № 3. P. 409–423.
  4. Yuen M. A numerical study of the eigenparameters of a damaged cantilever // J. Sound Vibrat. 1985. V. 103. № 3. P. 301–310.
  5. Ostachowicz W., Krawczuk M. Analysis of the effects of cracks on the natural frequencies of a cantilever beam // J. Sound Vibrat. 1991. V. 150. № 2. P. 191–201.
  6. Павлов В.П., Нусратуллина Л.Р. Точные решения уравнения, описывающего поперечные колебания стержня с переменным поперечным сечением и их применение // Вестн. Башкирского ун-та. Матем. и механ. 2019. Т. 24. № 4. С. 774–779.
  7. Гусев Б.В., Саурин В.В. О свободных изгибных колебаниях бетонных балок переменного поперечного сечения // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 8. С. 93–98.
  8. Лебедев И.М., Шифрин Е.И. Идентификация поперечных трещин в стержне по собственным частотам поперечных колебаний // Механ. твердого тела. 2020. № 4. С. 50–70.
  9. Ватульян А.О., Осипов А.В. Об одном подходе при определении параметров дефекта в балке // Дефектоскопия. 2014. № 11. С. 37–47.
  10. Ильгамов М.А., Хакимов А.Г. Диагностика повреждений консольной балки с надрезом // Дефектоскопия. 2009. № 6. С. 83–89.
  11. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д. Собственные частоты и формы продольных и крутильных колебаний стержней переменного поперечного сечения // Прикладн. матем. и механ. 2023. № 2. С. 327–336.
  12. Акуленко Л.Д., Байдулов В.Г., Георгиевский Д.В., Нестеров С.В. Эволюция собственных частот продольных колебаний стержня при увеличении дефекта поперечного сечения // Механ. твердого тела. 2017. № 6. С. 136–144.
  13. Ruotolo R., Surace C. Natural frequencies of a bar with multiple cracks // J. Sound Vibrat. 2004. V. 272. № 1. P. 301–316.
  14. Акуленко Л.Д., Гавриков А.А., Нестеров С.В. Идентификация дефектов поперечного сечения стержня по собственным частотам и особенностям формы продольных колебаний // Механ. твердого тела. 2019. № 6. С. 98–107.
  15. Ватульян А.О., Бочарова О.В. О реконструкции плотности и модуля Юнга для неоднородного стержня // Акустич. журнал. 2009. Т. 55. № 3. С. 275–282.
  16. Павлов В.П., Нусратуллина Л.Р. Крутильные колебания стержня непостоянного сечения // Вестн. УГАТУ. Машиностр. и машиноведение. 2022. Т. 26. № 1. С. 22–30.
  17. Хакимов А.Г. О собственных колебаниях вала с моделью искусственного дефекта // Дефектоскопия. 2010. № 6. С. 93–98.
  18. Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. NY. Marcel Dekker, 2005. 328 p.
  19. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Журавлев А.Б., Никитин А.Д. Мультирежимная модель развития усталостных повреждений // Прикладн. матем. и мех. 2020. Т. 84. № 5. С. 687–698.
  20. Найфе А.Х. Введение в методы возмущений. М.: Мир, 1984. 535 с.
  21. Peano G. Integration par series des equations differentielles lineaires // Math. Ann. 1888. V. 32. P. 450–456.
  22. Улитин В.В. Ряд Пеано и матрицанты при решении прикладных задач. СПб.: Изд-во “Парк Ком”, 2012. 164 с.
  23. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1967. 575 с.
  24. Baake M., Schlagel U. The Peano-Baker Series // Proceed. Steklov Inst. Math. 2011. V. 275. P. 155–159.
  25. Захаров Д.Д. Точные уравнения и нахождение частот среза при свободных колебаниях пластин из функционально-градиентных материалов // Механика композиционных материалов. 2022. Т. 54. № 5. С. 927–942.
  26. Graff K.F. Wave motion in elastic solids. NY.: Dover Publ., 1975. 682 p.
  27. Thomson W.T. Transmission of elastic waves through a stratified solid medium // J. Appl. Phys. 1950. V. 21. P. 89–93.
  28. Haskel N.A. The dispersion of surface waves on multilayered media// Bull. Seismol. Soc. Am. 1953. V. 43. P. 17–34.
  29. Knopoff A.L. A matrix method for elastic wave problem // Bull. Seismol. Soc. Am. 1964. V. 54. № 1. P. 431–438.
  30. Schwab F., Knopoff A.L. Surface waves in multilayered inelastic media // Bull. Seismol. Soc. Am. 1971. V. 61. № 4. P. 893–912.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (22KB)
3.

Download (29KB)
4.

Download (74KB)
5.

Download (30KB)
6.

Download (24KB)
7.

Download (30KB)
8.

Download (72KB)
9.

Download (30KB)

Copyright (c) 2023 Д.Д. Захаров, И.С. Никитин

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies