Steady-State Harmonic Vibrations of Viscoelastic Timoshenko Beams with Fractional Derivative Damping Models

Timoshenko梁理论 分数阶微积分 梁(结构) 振动 有限元法 粘弹性 力矩(物理) 应用数学 数学分析 结构工程 数学 计算机科学 物理 工程类 经典力学 声学 热力学
作者
Michael Klanner,Marcel S. Prem,Katrin Ellermann
出处
期刊:Applied mechanics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:2 (4): 797-819 被引量:11
标识
DOI:10.3390/applmech2040046
摘要

Due to growing demands on newly developed products concerning their weight, sound emission, etc., advanced materials are introduced in the product designs. The modeling of these materials is an important task, and a very promising approach to capture the viscoelastic behavior of a broad class of materials are fractional time derivative operators, since only a small number of parameters is required to fit measurement data. The fractional differential operator in the constitutive equations introduces additional challenges in the solution process of structural models, e.g., beams or plates. Therefore, a highly efficient computational method called Numerical Assembly Technique is proposed in this paper to tackle general beam vibration problems governed by the Timoshenko beam theory and the fractional Zener material model. A general framework is presented, which allows for the modeling of multi-span beams with general linear supports, rigid attachments, and arbitrarily distributed force and moment loading. The efficiency and accuracy of the method is shown in comparison to the Finite Element Method. Additionally, a validation with experimental results for beam systems made of steel and polyvinyl chloride is presented, to illustrate the advantages of the proposed method and the material model.
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