• 検索結果がありません。

On a Method of Solution for theEquations and Its Application to

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "On a Method of Solution for theEquations and Its Application to"

Copied!
11
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

43

  PEPORTS OF THE FACULTY OF ENGINEERING,

  No.7 (1976)

On a Method of Solution for the Equations and Its Application to

       Stability of Nonlinear V

NAGASAKI UNIVERSITY

Coupled Hill Type the Study of the

ibrations

      by

      **

        Kazuo TAKAHASHI and Kiyokatsu KAWAHARA

   In this paper, a method of the stability analysis for large amplitude steady state response of a nonlinear beam and flat plate under periodic excitation. The nonlinearity is attributed to the membrane tension which is developed when the beam and plate deflections are not small in comparison to their thickness. This problem is analyzed by the application of a Galerkin method, in which the effect of multi‑mode participation isconsidered, and an unspecified function of the time resulting in nonlinear coupled ordinary differential equations of motion is solved by the harrnonic balance method and the Newton Raphson method.

   The stability question is investigated by studyingthe behavior of a small perturbation of the steady state response. The perturbation equations of the present method of solution reduce to the coupled Hill type equation. Assuming the solution of the form as a product of characteristic component and a Fourier series which represents the periodicity of motion and application of the harmonic balance method can transform the stability problem into the eigenvalue problem of a nonsymmetric matrix. After a proper transformation, the eigenvalues can be calculated on a digital computer by the QR double step method.

   The effectiveness and the accuracy of the proposed method are examined fontr a Mathieu equation whose stability has been worked out in detail and the application to stability analysis of the nonlinear vibrations of beams are presented.

1. Introduction

    Nonlinear vibrations of beams and flat plates have been studied by many authorsl‑5) The common approach is to assume some form

for the spatial solution and then solve the ordi‑

nary differential equation that results for time variable. Earlier authors have used a single spatial function in their approach, and there have been very little effort in investi‑

gation of this problem using multiple mode so‑

lutions. This fact is primarily in the difficulty

in solving the coupled nonlinear differential equations. Most coupled problems considered require numerical techniques at some point in the solution. Recently, with the advent of a high speed digital computer, there have been several papers6‑iO) which discuss the multiple mode problem. The methods of analysis to study the coupled nonlinear ordinary differ‑

ential equations for time variable are the har‑

monic balance method6m9) and the method of averaginglO) However, the only and reliable

'Department of Civil Engineering

"Yagi Architect and Associats, Oka‑cho, Himeji, Hyogo

(2)

      K.TAKAHASHI AND

method that does not loose its usefulness when the amplitude of vibration becomes large is the harmonic balance method. This method involves assuming a solution of summed har‑

monics, substituting this solution into the dif‑

ferential equations, and equating the coef‑

ficients of the harmonics to zero. The resulting set of nonlinear algebraic equations may be solved on a digital computer by the Newton Raphson method. According to the multiple mode participation and the harmonic balance method, nonlinear harmonic, higher harmonic, subharmonic and coupling responses of beams and flat plates are predicted.

    Although a solution hasbeen found to the steady state problem, there is neither as‑

surance that these solutions are unique nor that they are stable solutions because of the nonlinearity of the equations. Thus, it will be necessary to check the stability of these so‑

lutions and to investigate the possibility of further steady state solutions. The stability question will be investigated by studying the behavior of a small perturbation of the steady state response. The perturbation equations re‑

duce to the coupled Hill type equations in the case of the stability, problem of the present so‑

lution. The stability has recieved much less attension, although Benett and Eisley6) ana‑

lyzed the coupled Mathieu equation by adi‑

rect numerical application of Floquet theory, and BusbyiO) investigated by means of the method of averaging. However, as for the coupled Hill type equations, it seems that there exists no convenient method.

   The present work is concerned with the stability analysis of steady state responseof multiple degree‑of‑freedom systems. Assuming a solution of the form as aproduct of a char‑

acteristic component and a vector which has period components, expanding this vector into a Fourier series and substituting the seriesirrt]o the perturbation equations and using the har‑

monic balance method, we can obtain a system of homogeneous algebraic equations. Then,

K.KAWAHARA

an investigation of stability of the trivial solution now reduces to study the eigenvalue problem of a nonsymmetric matrix for de‑

termin.cr the the characteristic exponents. Then, problem leads to find the condition under which any of the subtraction of the eigenvaluefrom the damping constant have a positive real part or not. This method directly determines the stability of the point under consideration.

    Numerical results are presented at first for

a undamped and damped Mathieu equation whose stability has been worked out in detail for checking the accuracy and compared with various methods of solution. In addition, the stability of nolinear steady state response of the hinged‑hinged beam for single mode ap‑

proach and two mode approach is performed by the present method. The stabilities of the amplitude of harmonic, higher harmonic and subharmonic response are investigated.

2. Equations of Motion (1) A Straight Beam

    The equations of motioni) describing the transverese vibration of a straight beam,which axially restrained in moving and large de‑

flection is permitted as follows

    p== ‑!I3i/! %2([.llii )2 clx, ' (i)        04y

       02y

      02y       0y

    L(y,I]b=:EI

       (2)       + pA

       +P       +c

      0x2        0x4

      0t2       0t        ‑Pcos9t = 0,

where E denotes Young's modulus, I the

moment inertia of the cross section, p the mass density, A the cross sectional area, e the beam length, y the transverse deflection, t the time, x the axial coordinate, c the linear viscous damping coeflficient, P the load intensity of the external force, and 9 the circular frequen‑

cy of the external force, and P the only nonlinear term due to the effect of the trans‑

verese displacement on the axial force caused by immovable supports. The beam vibrates with moderately large amplitude but the curvatures are assumed small and Hooke's law applied at all times.

(3)

THE COUPLED HILL TYPE EQUATIONS

   (2) A Circular Plate(with Radial Symmetry)       The nonlinear equations5)governing large    amplitude motions of a circular plate with    .   radial symmetry are taken to be

      E 0w 02w

      V̀F== ‑7or or2' (3)

      o2 w        0w

      L(w,n=Dv̀w+ph ot2 +C ot ‑ (4)

      ‑ll‑ EI}‑(0,lil gge)‑pcosgt‑ o,

   where Fdenotes Airy's stress function defined

      10F o2F

   bY ar =7or, ae= or2 ar the radial stress,    ae the circumierential stress, r theradial co‑

   ordinate, w the transverese displacement, tthe    time, D=Eh3/ I12(1‑ v2)l the flexural rigidity,    h the plate thickness, v Poisson's ratio.

   3. Minltiple Degree‑of‑Freedom Approach       A normal mode solution is assumed as    follows

       co

      y= r Z X} (x) Z' ( t) for the case of a       i=1

      beam,

       oo (5)

      w=hZ Ri(r) Z(t) for the case of a       i=1

      circular plate,   where r is the radius of the gyration of the   beam, Z(t) an unknown function of the time,   ahd Xi (x), Ri (r) space variables satisfyingthe   geometric boundary conditions of the beam   or the circular plate, which denote the as‑

  sociated linear problem. Substituting the   second equation of Eq.(5)into Eq.(3), the desired   representation of the stress function F can   be given by9)

      F= ‑ {l ,S ,S, n 7) ,Z=co, ,Z.co., afr. ai{ g2(i+j‑2)‑

         M,j g2 >, (6)

  where N'J'=(i+i‑2)(2i+27'‑5‑v)/(1‑v)   for the immovable edge, N'J'=i+1' ‑2forthe   movable edge Mij = (i ‑ 1)(2i ‑ 3) (7' m 1)/

  l(i+ ]' ‑ 2) 2(i+ 7' ‑ 3) 2l, g= r/a.

     Applying a Galerkin method to Eq.(2)  or (4), the following set of nonlinear ordinary  differential equation's is obtained

       45

AND STABILITY OF NONLINEAR VIBRATIONS

         .‑ oo co co

       d

         7‑;i +2hn an 7H)i +aZ 7‑;t + Z Z Z B:i. Tk        k=1 l=lm=1        (7)

         T} 7;rt = ,(9n Pcos co T,

     where an = (.A. / Ai)2, a. == Y[li x:] dg,      ff, =: Yg' x. dg/ a. Af,

     Bzi. = ‑ ygi fl:ggkddig¥) dg ./g' diee, x},dg /(2Af s.)

     g= x/l, IZJ7= pl̀/ETr for the beam, 0n=Y[i?R#dg,

     Bzi‑ = 6(oi. ‑A f"2) ,tOO, ,tco, af. a,k・ MiJ'

      ( o,,・R,M・j" ‑ ks,m・jn ‑ A71・f vvmn),      Bn = Y[i' Rn gdg/ AS 6n,

     R;j" = y[ii g2(i+j‑3) !illglMRndg,

     s,m.jn = yCi g2(i+j‑3) dd2gR,m R.gdg,

     vvmn = yg'( fl71glm + g dii5,M) Rn dg,

     Oij ‑‑ (i+7'‑2)(i+1' ‑3), Pij=i+7' ‑2, T=coit      for the circular plate.

        Since there is no known exact solution of      Eq.(7), it will be neccesary to get the solution      approximately. The harmonic balance method      is used here. For Duffing type of Eq.(7), a so‑

     lution of the foum is assumed as        oo

        n= : (asn coss‑aJ‑T + bs. sins‑E[IT), (8)       s=1

    where a; and ba are amplitude components     and ca the frequency ratio defined by 9/cai.

        Substituting Eq.(8) into Eq.(7) andapply‑

    ing the harmonic balance method, a set of     nonlinear algebraic equations will be obtained     and solved by the Newton Raphson method     on a high speed digitital computer for a      proper initial guess.

    4. Stability Analysis

        The stability question wil1 be investigated     by studying the behavior for a small pertur‑

    bation of the steady state responseli)Let T;, :     n+8n where Tn is the steady steady solution     for Eq.(7) and 8n isasmall perturbation of     the n‑th mode. Substituting this equation into     Eq.(7), and retaining only first order terms,the

(4)

       K.TAKAHASHI AND

following is obtained

       co co co    6n +2hn an an +an2 Sn + Z Z Z (9)       k=1 l=1 m=1    BZi. ( Tk Ti am + Tk Tm Si + Ti Tm 0k)=O.

Substititing Eq. (8) into Eq.(9),theperturbation equations will take the form of the matrix notatlon

       ‑ oo

   E6+ 2Ho" + A6 + Z (Bh cos2kiJHT +        h =1

      (10)    Sksin2kZ[FT)6 = O,

where E is the consistent mass matrix which reduces to unit matrix in this case. H,the damping matrix, A the linear stiffness matrix, Bk and Ck the geometric stiffness matrix,6 the vector of generalized coordinates, S the generalized velocity vector and '6' the general‑

ized acceleration vector. Eq.(10) is thecoupled Hill type equation. Let introduce the matrix transformation 6= e‑fHdr 6 where S is avec‑

tor with component which must be determined.

Taking into account that e‑f"dT is a nonsingu‑

lar matrix and assuming that the damping matrix is the scalar matrix H = hE where is the damping constant which is the same for all forms of vibration, Eq.(10) can be written in the form

   !a" +{ A ‑ H2 + k2.)i (Bkcos2k Z[JT +

       (11)

   Ch sin2k 'E[JT) }S = o.

   'We seek the solution of Eq.(11) in the formi2)     ‑S‑= eAr {‑ll)o + kS.1 (ahsin2le 'aJ‑T +

      (12)

    bhcos2k EJ‑T) } ,

where ak and bh are some vectors not de‑

pendent on time.

    Substituting the series Eq.(12) in the dif‑

ferential equation (11) and applying the har‑

monic balance method, we obtain a set of homogeneous algebraic equations

    GX=O, (13)where G is the coefficient matrix, and X vec‑

tor of generalized coordinates.

    In oder for this system to have solutions other than the trivial ones, the deteminant

  K.KAWAHARA

of the coefficient must be equal to zero. Thus, we obtain the equation for determining the characteristic components as

   det(G.)‑O.i (14)

Fromthe," proP'erty of the matrix G, Eq.(14) may be decomposed into the following three matrlces as

   det (d) = det(Mo ‑ A Mi ‑ A2 M2) =O, (15) where Mo, Mi and M2 are the coefficient matrices of the constant, first and second power of A, respectively・

   To obtain the value of A in Eq.(15), we employ the method which obtains the eigen‑

value of the following double size matrix     [ M,‑PM , ‑ M,‑PM,] (Xy) == A (¥), (16)

where Y= AX.

    As the matrix of Eq.(16) is a generally nonsymmetric matrix with real element, the eigenvalges consist of pairs of complex number.

The nonsymmetric matrix is converted to the general Hessenberg form and the eigen‑

value is evaluated using the QR double step method. Therefore , the stability isdetermined point by point for both increasing and decreas‑

ing frequency. If any of the subtraction of the eigenvalue from the damping constant have

a positive real part and the corresponding basic solution is unbounded asT‑> oo andthe so‑

lution is unstable. On the other hand, if all of the subtraction of the eigenvalue from the damping constant h have negative real part, then:"e(a'h)r.O as T.oo and the solution is stable.

5. Stability of the Solution of the.Mathieu    Equation

    For the purpose of examining the accuracy of the present solution, in this section, we carry out such a discussion for the special case of the damped Mathieu equation

    'a'+2PO+ (a+ ecos T) 6= O, (17)  where B= hra・

 Introducing transformation 6= e‑BT 6 gives

    "5r+ (a‑ B2 + ecos t)‑Sr=O. (18)

(5)

       47

THE COUPLED HILL TYPE EQUATIONS AND STABILITY OF NONLINEAR VIBRATIONS

   Eq.(12) may be rewritten in this case asfollows

      ‑IS "= e"T(ml}‑ bo + kE.), (ah sink T+ bkcosk rt)g.) (bAki,‑l‑,ll ‑o,'(i?2 ‑k2) bk +2Akak + ‑S‑( bh"i +(2o)

   Substituting Eq.(19) into Eq.(18) and equating (A2+a‑B2 ‑k2)ak ‑2Ak bk+S( ak+i+

   coeflicients of identical sinle T, coskT, we ob‑

      ak‑1) :O,    tain the following set of recurrence relations

      where k=1, 2,''' ', ao == O.

   for the ak and bk If we take the first three terms of the series,

      we find that

       ‑ll‑(A2 +a‑ B2) bo +'li‑ ebi= O, Gx =o, (21)

         where

       A2+,‑Kl?2 s o o o o o

      S/2 A2+ cr‑B2‑l 8/2 O 2A O O       O S/2 A2+a‑ xg2‑4 0/2 O 4A O

         G= O O 0/2 A2+a‑ B2‑9 O O 6A

      O ‑2A O O A2+ cr‑/92‑1 6・/2 O       O O ‑4A O 6t/2 A2+ cr‑B2‑4 6)l2

      O O O ‑6A O 8/2 12+a‑ ,e2‑9.

         Consequently, Eq.(16) has the form byusing          Eq.(21) as

      AZ=AZ, (22)

         where A=[M2M, ‑M.i PM,], Z= {xy)i・

      Y=AX,

Mo=

Mi=

M2=

a‑B2

 8/2   o

o o o o o o o o o o o

‑1

o o o o o o

   6

cr ‑32 ‑1   ・6/2 .

   o    o    o    o    o    o    o    o    2    o    o    o   ‑1    o    o    o    o    o

   o   6/2

cr ‑B2 ‑4

  0/2    o    o    o    o    o    o    o    o    4    o    o    o

  ‑‑ 1

   o    o    o    o

   o    o   S/2

cr‑B2‑9

   o    o    o    o    o    o    o    o    o    6    o    o    o

  ‑1

   o    o    o

   o    o    o    o

cr‑B2‑1

  0/2    o    o

  ‑2

   o    o    o    o    o    o    o    o    o

  ‑1

   o    o

   o    o    o    o   6/2

a‑B2 ‑4

  0/2    o    o

  ‑4

   o    o    o    o    o    o    o    o    o

  ‑1

   o

   o    o    o    o    o   0/2 a‑32‑9

   o    o    o

  ‑6

   o    o    o    o    o    o    o    o    o

  ‑1

'

'

,

(6)

      K.TAKAHASHI

   The stability regions of the Mathieu equa‑

tion will be determined by using Eq.(22). We show the undamped and damped (h=O.1) sta‑

bility region for a Mathieu equation in Figs.1

2

,1

1

Sl '2

C1 2 gegS1

   M

   E    E ti)f

   EFEA E

f Eiiil!F5 ,,.. ,.,<t <"̀

   ,e2Ef ,,<'N

  62i .

      present solution (2 term)       present solution (:3 term)   ‑‑‑・exact solution   ‑ ‑ ‑ perterbation solution   KZZiK stable side of boundary

2

,1

1 o

Fig.1 Undamped taj

E

i         cr Mathieu stability

'i)5

t,>,l4)

6   k

k E

2

diagram

  x

    present solution (2 term)     present solution (3 term)

‑‑‑ exact solution Z7T7 stablo side of boundary )E>>>5

       cr

  Fig. 2 Damped Mathieu stability diagram and 2, respectively, in which the shaded region are the stable regions. In these figures, the thicker solid lines show the two term solution (bo,bi, ai) and thinner lines show the three term solution(bo,bi,b2,ai,a2). In Fig.l, dotted lines show the stability boundaries which are de‑

termined from the condition under which the differential equation has periodic systems with 2rr or 4n according to the Floquet theory]i) Boundaries of the principal region of the sta‑

bility marked by Sii2 and Cii2 have periodic

AND K.KAWAHARA

    solutions with period 4rr and the boundaries     of the second region of the stability marked     by Si and Ci have periodic solution with peri‑

    od 2n. As these results obtained by the     Floquet theory are converged values, we can     estimate these results as the exact solution for     comparison of the present solution with the     establish6d solution.

       Approximate regionii) of the stability of     the Mathieu equation for small E obtained by     the use of the perturbation method are also     shown in Fig.1.

       As can be seen in Fig.1 in the case of the     undamped case, the difference between the     two term solution and the three term solution     of the present solution does not noted for not     too large values of E and a certain difference     is coming out with increase of E. However,     more than four term solution almost coincides     with the three term solution. Therefore, the     three term solution will be assumed to be the     converged value.

       The twoterm solution of the stability     boundary Si is equal to unity independently     of the magnitude of a. But,as the three term     solution agrees with the exact solution, the     stability boundary Si of the present method     is omitted from Fig.1. If we compare the

   present solution with the exact solution, it will     be seen that the present solution agrees well     with the exact solution as to the stability     boundaries Sii2 and Si and do not agree well     as to the stability boundaries Cii2 and Ci in     the range where E is not small. The result of     this method overestimates the area of the sta‑

    bility range. However, the present solution     gives a satisfactory results compared with the     first term solution of the perturbation method     which is usually used in the stability analysis     of a nonlinear system

        As to the damped Mathieu equation as     shown in Fig.2, the present solution isassumed     to give a similar result as well as undamped     case. In this case, the stability boundary cor‑

    responding to Cii2 is pot affected by the

(7)

THE COUPLED HILL TYPE EQUATIONS AND

   number of the term.

   6. Stability of the Hamionic, Higher Har‑

     monic and Subharinonic Response of the      Nonlinear System

   (1) Single Degree‑of‑Freedom System       For the case of the symmetric vibration    about the center of a hinged‑hinged beam,the    equation for the first mode can be obtained    from Eq.(7) in the following form

      'T+ 2h 7+ T+ 0. 25 T3= ::,ri5cos to‑T. (23)    Employing the first two harmonics as        T= ai cos co T + a3 cos3co T + bi sin co T +

       b3 sin3co T. (24)

   Substituting Eq.(24) into Eq.(23) and using the

       5      Al        4

       3

       2

       1

       o

      12

    Fig.3 Amplitude frequency curves of a          damped case)

      Fig.3 shows theundamped overall solution    (h =O) of Ekl.(25) near the first natural frequen‑

  cy range in the rectangular coordinategraph,   where the abscissa indicates the frequency rati‑

   o di and the ordinate indicates the absolute   value of the amplitude, i.e., A= lai+a3l

   which occures at tu‑T=n rr (n = O, 1, 2, ・ ・ ・). In    Fig.3, the solid lines correspond to amplitude    in phase with the external force and the   broken lineS correspond to amplitude out of   phase with external force. Theamplitudes

      49

STABILITY OF NONLINEAR VIBRATIONS

harmonic balance method, the following set of four nonlinear algebraic equations is ob‑

tained as

   (1‑ di2)ai + 2h te‑bi + Iiil6T(a? + a? a3 + 2ai a?

   + ai b? ‑ a3 bi + 2ai di + 2ai bi be)= .4s i,

   (1‑ 9ca‑2 ) a3 + 6h ca‑ be +.f6( ai + 3ag + 6a? as

   ‑ 3ai bl + 3a3 bZ + 6as bi) : 0,

   ( 1‑ tod2 ) bi ‑ 2h to‑ai + Iil6T( b? ‑ b? be + 2bi di

    + 2a: bi + a? bo + a?bi ‑ 2ai as bi) == 0, (25)    (1‑9j 2) be ‑ 6h w‑as +f6( ‑ b? +3rd +    6bi b3 + 3a? bi + 6tzi be + 3aZ be ) = 0.

q7 e7

7/

7/oo

7/oo

nyny/

9/

1/

//xxk

inphase

‑‑‑ outofphase

oo

o‑,=ok‑p‑×3)bkp=

7o

x

JoxJ ostablexunstable

o.N..N

eO‑o       3 4t.5o

hinged‑hingedbeam (single degree‑of‑freedom, un‑

    marked by O correspond to stable points and     the amplitude marked by × correspond to     unstable points.

       Resonance which occures in the neighbor‑

    hood of toM‑‑ 1.0 presents a harmonic solution.

    As shown in Fig.3, the amplitude transmits     from a stable point to a unstable point where     points at which the resonance curves have a     vertical tangent( di= 1.42 when 5= 70 and ca‑‑‑

    1.28 when P= 30) in the A, to‑ plane. Thelocus     of the vertical tangents of the response curves

(8)

 50

       KTAKAHASHI

in the A, di plane maps on the boundary Cii2 between a stable and unstable region of the a, E plane as shown in Fig.1. These results coincide with the foregoingconclusion based on physical ground and the accuracy of the present method seems to be satisfactory.

   The resonance which occures in the

neighborhood of di=O.3 shows the higher har‑

monic whose frequency is three times asmany as the frequency of the external force. This re‑

sponse occures continuously with the increase ordecrease of the frequency.The amplitudes in phase with the exte'rnal iorce transmits from the stable point to the unstable point where the response curves have vertical tangents.

The study of the stability of this higher har‑

monic is obtained by using the threeterm Solution 'of the harmonic balance method.

According to the two terni solution, all the amplitudes are stable. This means that the variational equation which is calculated by

   5 Al    4

3

2

1

AND K.KAWAHARA

   the amplitude components requires to present     precisely the variational equation of the non‑

    linear differential equation.

       The unstable amplitude of the harmonic     response in the neighborhood of te"=O.6        ?/

    corresponds to the second instability region    of the Mathieu equation. As the unstable    region is considerably narrow, this ampli‑

   tude becomes stable when damping term is    taken into account.

       The resonance which results through bi‑

    furcation from the harmonic response in the     neighborhood of di=3.0 is the subharmonicre     sponse of order 1/3. The amplitude is defined

    by A=lay3+ailwhere we assume the so‑

    lution T as T= aicos c'o T +ai/3 cos c'o r/3. The     amplitude out of phase with the external force     is stable and the amplitude in phase with     the external force is unstable.

h=O.05

‑h=O.O05

‑p=70

'p=O

ostable xunstable・

 Fig.4 Amplitude frequency curves of a        damped case)

  Fig.4 shows the frequency response curve when the viscous damping term is included.We use the instantaneous maximum value of the amplitude as the definiglon of the amplitude in this case. The dampirig constant h is taken.

to 5% in the case of the harmonic and higher

      3 hinged‑hinged beam

       4 ‑‑.‑ 5

       to (single degree‑ of‑freedom,

harmonic response, and O.5% in the case of the subharmonic response.

   Thewidth of the higher harmonic response near to‑=O.3 is narrow as shown in Fig.4, the amplitude becomes considerably small. As damping is added, the response curve ofthe

(9)

THE COUPLED HILL TYPE EQUATIONS AND

   harmonic motion in the neighborhood of di =    1.0 is round off in the vicinity of the curve for

   p‑=Oat A==4.3, and the response curve is    bented to the right, there are two vertical    tapgents as shown in Fig.4. The curve which    is surrounded by these teq,o vertical tanengts    seems to be unstable. The present solution    for the lower transmitting point from stable    amplitude to unstable one agrees with the    lower point of the vertical tangent. However the    result of the stability analysis in the neighbor    hood of the upper vertical tangent does not    coincide with the point of the vertical tangent    when the damping constant is smaller than    10%. The accuracy of the stability analysis    is not improved even if we adopt further terms    of the harmonic balance method. This reason    may be caused by the fact that the stability    boundary corresponding to Cy2 isnotaffected    by the numbers of the term as shown in Fig.2.

      The subharmonic response with damping    is also presented in Fig.4. In this case, the    response curves have the upper and lower    round off points. The region where the sub‑

   harmonic response occures is considerably li‑

   mited.

   (2) Two Degree‑of‑Freedom System

       If more than one mode is considered in the    analysis, then a coupled set of nonlinear dif‑

   ferential equations results. For a example,the    follwing set of equations isgivenfor two sym‑

   metric modes of the hinged‑hinged beam        'Ti + 2h lz7i + Ti + o.2s( Ti3+ gTi T;)

       =ll!ii‑ [ZJcos cffoT, (26)

        rr

       '7b + 2h T3 + 81 T3 + 2.25( 7g 7b +9Tg)=

       ‑4‑ ff

       3 ns PCos to T.

   To apply the harmonic balance method, let        Ti =aicos c‑oT+ bisin c'oT, (27)

       Tb = a3 cos c‑oT+ b3 sin c‑o T .

   Substituting Eq.(27) into Eq.(26) and taking        ・//・‑

   .the only first terms of the perturbation yields

       51

STABILITY OF NONLINEAR VIBRATIONS

      .

   E'S' +2H6+ A6 + (B + Ccos2 w‑T+

   Dsin2 E[iT)6 :0, (28)

where .,.[3 9], H‑[2 :], A=[S sg),       B‑[zg z:], c==[gi gi], D‑[gl gg],       s‑([il:l, o ={o o}T,

      qo = 0.375{ ai2 + bi2 + 3( a32 + b32) },       qi = 0.375{ai2 ‑ bi2 + 3( a32 ‑ b32 ) },       q2 = 0. Z5( ai bi + 3a3 b3),

      q3 = 2. 25(ai a3 + bi b3),       q, == 2.25(ai a3 ‑ bi Q3),       qs= 2.25(ai b3 +a3 bi).

      q, = 1. 125{ai2 + bi2 + 27( a32 + b32 ) },       q, == 1. L25{ai2 ‑ b? +27(a32 ‑ b32)},       qs :1.125(arbi+27tz3b3), Let introduce 6 :eMHT6' , then we obtain    EL6'+(A+B‑ H2 +Ccos2 to‑T+

   Dsin2 c‑o T)S=O. (29)

We assume

   S= eAT { ‑li‑bo + ktle ,3( ah sin2 kto‑T+

   bk cos2 k cMo T) }, (30)

where bo ={bo' bo3}', bh={bh' bk3}',      ah={ak' ah3}T.

Substituting Ekl.(30) intoEq.(29) and equating the coefficients of cos2 cneoT and sin2 c‑oT, we obtain a set of homogeneous algebraic e‑

quatlons

       '

   [A+B‑cDH2+ A2E2(A+B‑‑Hs2 E:;fiigE‑4 ib2 E)

      D       8 E[JAE    2(A+B‑ H2 + A2E‑4 aj2 This results in an

determinant is required to E)

ili‑o

problem

(31)

      eigenvalue whose

       vanish.

   Amplitude frequency curves of the hinged‑

hinged beam for the first and the second modes are shown in Fig.5. These response curves are obtained by using damping constants equal to

O% and 5%.

(10)

 5 Al  4

‑3

2

1

K. TAKAHASHI

qh‑=o h=O.05 7i

i

fe

‑p=70

p=o×ex‑.

N‑o‑

o        .tu(a) first natural frequency region 3

 3 .1

       "i  1       ri

       p ==70

 oE==e p‑‑o

  8.5 9.0 9.5 10.0

      w

       (b) second natural frequency region

  Fig.5 Amplitude frequency curves of a         hinged‑hinged beam (two degree‑of‑

        freedom, undamped and damped cases)     From the stability analysis, it will be seen

that a similar result is obtained in the cases of the first and second natural frequency region as well as the result of the single de‑

gree‑of‑freedom system. Consequently, the present method of stability analysis can be easily applied to multiple degree‑of‑freedom systems and can be treated as well as single degree‑of‑freedom system.

7. Conclusions

    The results of the numerical examples indicate that the present method of solution for the stability question gives a excellent ap‑

proximate solution for a Mathieu equation and can be applied to investigate the stability analysis of steady state response of nonlinear vibrations.

    The method only 2nalyzes one point on the reponse curve at a time so it isnecessary

AND K.KAWAHARA

   to determine the stability point of several re‑

   sponse in order to construct regions of insta‑

   bility. Therefore, in the problem in which the    nonlinear coupling is week, it is possible to    use the instability region in the Mathieu dia‑

   gram maps or to obtain the position og the    vertical tangent when the amplitude frequen‑

   cy curve is obtained. However, in the case    when the nonlinear coupling appears or when    the amplitude frequency curve can be not ob‑

   tained easily, the proposed method of solution    will be useful and play a significant role.

   Acknowledgement

       The authors wish to thank Pro. Togawa    of Kyoto Industrial University for hishelpful    advice.

   References

   1) Burgreen, D.,Free Vibrations of a Pin‑Ended      Column with Constant between Pin Ends,

     JAM, Vol. 17, pp. 135‑137(1950)

   2) Sato, K. , Nonlinear Vibration of Beams with      Clamped Ends and with One EndClamped,      Other End Simply Supported End, Trans.

     Japan Soc. Mech. Engrs. , Vol. 34, No. 259, pp.

     418‑426(1968)

   3) Evenson, D. E. , Nonlinear Vibration of Beams      with Various Boundary Conditions,AIAAJ.,      Vol. 6, No. 2, pp. 370‑372(1968)

    4) Chu,H.N, and Herrmann,G., Influence of Large      Amplitudes Free Flexural Vibrations of

     Rectangular Plates, JAM, Vol. 23, pp. 532‑ 540      (1956)

    5)Yamaki,N.,Influence of Large Amplitudes      on Flexural Vibrations of Elastic Plates,      ZAMM, Vbl. 41, pp. 501‑510(1961)

    6)Benett,J.A.,and Eisley,J.G.,A Multiple De‑

     gree‑of‑FreedomApproachto Nonlinear Beam      Vibrations, AIAA J , Vol. 8, pp. 734‑739(1970)

    7)Yamaki,N., and Nagai,K.,Flexural Vi‑

      brations of Rectangular PIates Subjected to      Uniformly Distributed Periodic Forces, Trans,       Japan Soc.Mech. Engrs. ,Vol. 39, No. 327, pp.

      3334‑3341(1973)

(11)

THE COUPLED HILL TYPE EQUATIONS AND

   8)Takahashi, K. , Nqnlinear Free Vibrations of     Beams,Theoretical and AppliedMechanics,

    Vol. 24, pp. 109‑120(1976)

   9)Takahashi,K.,Free Vibrations of Circular     Plates, Reports of the Faculty of Engineering     Nagasaki University, No. 5, pp. 95‑104(1974)    10) Busby, H. R. , Nonlinear Response of a Beam

    and Flat Plate to Periodic and Random     Loading, Ph.D. Thesis, Univ. of Southern     California, Los Angeles, California(1971)

      53

STABILITY OF NONLINEAR VIBRATIONS

11)Stoker, J. J. , Nonlinear Vibrations in Mech‑

 ,anical and Electrical System, Interscience  Publisher, Inc. , New York(1950)

12)Bolotin,V.V.,The Dynamic Stability of E‑

 lasticSystems, Holden‑Day, Inc., San  Francisco (1964)

13)Salle,JL., and Lefshetz, S. , Stability by  Liaponov's Direct Method withApplication,  Academic Press(l961)

参照

関連したドキュメント

In addition, a significant difference was not seen (N.S.)inthe standard deviation value of heart rates counts of &#34;Snoe 2.elen l''and &#34;Snoezelen 2''in Fig.8 and Fig 9,

Saxena, A formal solution of certain dual integral equations

VIM does not require specific transformation for nonlinear terms as required by other techniques and is now widely used by many researchers to study autonomous ordinary

A procedure of modified Gauss elimination method is applied for the solution of the first and second order of accuracy difference schemes of one-dimensional fractional

We study the positive stationary solution set of a strongly coupled diffusion system.. with the

possibility of constructing weak solution in one dimension by adding a higher-.. integrable

ponent in some sence involving anonnegative finite Radon measure as force term.. In this case there is no solution provided that the force term

The present study describes a practical case in which a female long distance runner succeeded in improving her performance so that her speed continued to increase after her