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미분변환법을 이용한 다중 크랙을 갖는 비균일 나노빔의 진동해석
Vibration Analysis of Multi Cracked Nonuniform Nanobeam by using Differential Transformation Method 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.20 no.5, 2016년, pp.93 - 101  

신영재 (안동대학교 기계설계공학과) ,  박성현 (안동대학교 대학원 기계설계공학과) ,  김진홍 (안동대학교 대학원 기계설계공학과) ,  유영찬 (안동대학교 건축공학과)

초록
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본 연구에서는 비국지 탄성이론과 미분변환법을 이용하여 탄성매질속 다중 크랙을 가진 비균질 나노빔의 지배방정식을 유도하고, 유도된 지배방정식과 경계조건에 미분변환법을 적용하여 나노빔의 축방향의 진동해석을 하며, 나노빔의 첫단과 끝단의 경계조건이 각각 고정단(Clamped end)과 자유단(Free end)의 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과를 기존 연구결과와 비교하여 타당성을 입증한 후, 비국지 작은 척도효과 (Nonlocal small scale effect), 탄성매질의 강성, 크랙의 위치, 크랙의 강성 그리고 비국지 탄성이론의 나노빔에 대한 진동해석 결과를 고찰하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the governing equations of motion for multi-cracked nonuniform nanobeam based on nonlocal elasticity theory and embedded in an elastic medium were derived. DTM(differential transformation method) was applied to vibration analysis of multi-cracked nonuniform nanobeam based on nonlocal ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 비국지 탄성이론이 적용된 탄성매질속 다중 크랙을 포함한 비균일 나노빔의 지배방정식을 유도하였다. 유도된 지배방정식에 미분변환법을 적용하여, 양단이 고정단-고정단, 고정단-자유단인 경우에 대해 수치해석을 수행하였다.
  • 본 연구는 비국지 탄성이론과 미분변환법을 이용하여 탄성매질속 다중 크랙을 가진 비균질 나노빔의 지배방정식을 유도하고, 유도된 지배방정식과 경계조건에 미분변환법을 적용하여 축 방향의 진동해석을 하며, 나노빔의 첫단과 끝단의 경계조건이 각각 고정단(Clamped end)과 자유단(Free end)의 경우에 대하여 수치해석들을 수행하였다. 이 연구에서는 비국지 작은 척도효과 (nonlocal small scale effect), 탄성매질의 강성, 크랙의 위치, 크랙의 강성 그리고 비국지 탄성이론의 모델에 대한 진동해석 결과를 고찰하고자 한다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 탄성매질속 비균일 나노빔이 위치A와 B에 크랙을 가진 것으로 가정하였다. 크랙을 가진 나노빔은 크랙을 경계로 나노빔을 나누고, 그 사이에는 질량이 없는 탄성스프링을 연결된 것으로 간주하여 해석한다.
  • 재질의 강도를 높이기 위해 나노빔을 탄성매질에 박으면 탄성매질은 나노빔의 기계적 거동에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 나노빔의 외부에 탄성매질이 박혀있는 경우를 고찰하고자 탄성매질에 의한 축 방향 힘은 다음과 같이 가정한다.
  • 축 방향 진동수를 구하기 위해 세 부분의 지배방정식의 해를 조화운동이라고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
비선형적인 문제를 해석하는 데 미분변환법을 사용하는 이유는 무엇인가? 나노빔은 나노스케일에서 단면적이 가변이거나 밀도나 재료 특성이 비선형적인 경우도 존재하는데, 이러한 경우 비선형적인 문제를 해석하여야 할 필요성이 있다. 비선형적인 문제를 해석하는 수치해석 방법 중 하나인 미분변환법 (Differential transformation method)은 수치해석의 수렴도가 빠르며 해의 정확도 또한 높기 때문에 이를 사용한다.
비국지 탄성이론에서 작은 척도효과는 어떻게 얻어지는가? 이를 해결하기 위해 최근에 널리 사용되고 있는 이론 중 하나가 Eringen에 의해 처음 시작된 비국지 탄성이론(nonlocal elasticity theory)이다. 이 탄성이론에서 작은 척도효과(small scale effect)는 어떤점에서의 응력은 그 점에서의 변형률뿐만 아니라 영역내의 다른 모든 지점에서의 변형률의 함수로 가정함으로써 얻어진다. 나노빔의 연구는 Aydogdu(2012)이 탄성매질속 균일한 CNT (carbon nano tube)를 비국지 탄성이론을 이용한 축 방향 진동해석을 하였으며, Kim(2014)이 광결정 나노빔 레이저와 그 응용에 관한 연구를 하였고, Jeong(2014)이 전기로 구동되는 나노빔 레이저에 대한 연구를 하였다.
나노빔이란 무엇인가? 나노빔은 선폭 및 두께가 나노스케일의 크기를 가지는 빔이다. 나노빔은 원자 현미경의 탐침봉으로써 힘이나 질량 측정과 바이오 분자 센서 그리고 무선 통신 분야등 많은 범위에서 사용된다.
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참고문헌 (10)

  1. Aydogdu, M. (2012), Axial Vibration Analysis of Nanorods Embedded in an Elastic Medium using Nonlocal Elsticity, Mechanics Research Communications 43, 34-40. 

  2. Eringen, A. C. (1983), On Differential Equations of Nonlocal Elasticity and Solutions of Screw Dislocation and Surface Waves, Journal of Applied Physics, 4703-4710. 

  3. Hsu, J. C., Lee, H. L., and Chang, W. J. (2011), Longitudinal Vibration of Cracked Nanobeams using Nonlocal Elasticity Theory, Current Applied Physics, 1384-1388. 

  4. Jeong, K. Y. (2012), Electrically driven nanobeab lasers, KAIST, TD 530-12-69. 

  5. Kim, M. J., and Kang, N. C. (2010), Vibration Analysis of a Rotating Cantilever Beam with Tip Mass using DTM, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 1058-1063. 

  6. Kim, S. J. (2014), Study on the Photonic Nanobeam Laser and its Applications, KAIST, TD 530-14-297. 

  7. Kumar Vikram Singh (2009), Transcendental Inverse Eigenvalue Problems in Damage Parameter Estimation, Mechanical Systems and Signal Processing, 23, 1870-1883. 

  8. Malik, M., and Dang, H. H. (1998), Vibration Analysis of Continuous Systems by Differential Transformation, Applied Mathematics and Computation, 96, 17-26. 

  9. Shin, Y. J., Hwang, K. S., Yun, J. H., and Yoo, Y. C. (2003), Vibration Analysis of Euler-Bernoulli Beam with Open Cracks on Elastic Foundations using Differential Transformation Method, The autumn scholarship conference of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 690-695. 

  10. Zhou, J. K. (1986), Differential Transformation and its Application for Electrical Circuits, Huazhong University Press, Wuhan China (in Chinese). 

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