Modeling of free and forced longitudinal oscillations of a straight rod using the direct discretization method

dc.citation.epage62
dc.citation.issue3
dc.citation.journalTitleУкраїнський журнал із машинобудування і матеріалознавства
dc.citation.spage48
dc.contributor.affiliationLviv Polytechnic National University
dc.contributor.authorKharchenko, Yevhen
dc.contributor.authorBilovus, Andriy
dc.coverage.placenameЛьвів
dc.coverage.placenameLviv
dc.date.accessioned2025-11-14T08:59:34Z
dc.date.created2024-02-27
dc.date.issued2024-02-27
dc.description.abstractIn the study of the dynamics of mechanical systems with distributed parameters, the discretization of partial differential equations by the finite element method, finite difference method, or boundary element method is widely used. This makes it possible to simplify the analysis of dynamic processes by reducing it to solving a system of ordinary differential equations. The aim of this paper is to mathematically substantiate the method of direct discretization of long-dimensional elastic links as applied to free and forced longitudinal oscillations of a straight rod as a mechanical system with distributed parameters, and to investigate the convergence of the method in determining the natural frequencies and amplitudes of forced oscillations of mechanical systems. The method of direct discretization is considered in the application to a rod with distributed parameters, which performs longitudinal oscillations. It is shown that by mathematical discretization of the wave equation, the boundary value problem can be reduced to the analysis of oscillatory phenomena in a chain mechanical system of material points. The formulas for determining the masses of the inertial elements of the computational model and the stiffness coefficients of the elastic connections are given. The convergence of the method is investigated by determining the natural frequencies of oscillations of a rod with free ends, as well as with one end clamped and the other end free, and comparing the approximate results of calculations with the exact results. The effect of the number of degrees of freedom, rod length, and material density on the eigenfrequencies is investigated. It is found that to ensure sufficient accuracy for engineering practice in determining the three or four lowest natural frequencies, computational models with 8–10 degrees of freedom can be used. It is emphasized that the cross-sectional area of the rod does not affect the characteristics of the frequency spectrum of the mechanical system. The zero value of the lowest natural frequency of an elastic rod with free ends can be explained by the fact that this value corresponds not to the oscillatory but to the translational motion of a mechanical system that is not connected to the base. Forced longitudinal oscillations of an elastic rod, one end of which is clamped at the base and the other end is free, under power and kinematic excitation are considered. The amplitude-frequency characteristics of mechanical systems are constructed on the examples of the dependences of the movement amplitude of one of the material points and the amplitude of the longitudinal force in one of the elastic links of the computational model on the frequency of forced oscillations. Since the dissipation of the mechanical energy of the system during its oscillations is not taken into account, as the frequency of forced oscillations approaches one of the natural frequencies of the system, the movement amplitudes, as well as the amplitudes of internal forces, tend to infinity. The actual values of resonant amplitudes are not of practical interest, since resonant modes of operation are not expected for the vast majority of machine units. The scientific novelty of the results obtained is that the mathematical substantiation of the method of direct discretization of the rod in its application to its longitudinal oscillations, the creation of computational algorithms and the study of the convergence of the results of determining the natural frequencies and amplitudes of forced oscillations can be considered as a development of the computer methodology for the dynamic analysis of mechanical systems with distributed parameters. The practical significance and scope of further research of the results of this work are based on the wide possibilities of practical application of the direct discretization method in the study of dynamic processes in rather complex mechanical systems of such technical objects as drilling rigs, cranes, mine hoisting machines, conveyors, rotary kilns, etc. This is facilitated by the simplicity and computational efficiency of the method in solving problems of dynamics of both linear and nonlinear mechanical systems. The method can be applied in the study of both stationary and transient dynamic processes in machine units.
dc.format.extent48-62
dc.format.pages15
dc.identifier.citationKharchenko Y. Modeling of free and forced longitudinal oscillations of a straight rod using the direct discretization method / Yevhen Kharchenko, Andriy Bilovus // Ukrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science. — Lviv : Lviv Politechnic Publishing House, 2024. — Vol 10. — No 3. — P. 48–62.
dc.identifier.citationenKharchenko Y. Modeling of free and forced longitudinal oscillations of a straight rod using the direct discretization method / Yevhen Kharchenko, Andriy Bilovus // Ukrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science. — Lviv : Lviv Politechnic Publishing House, 2024. — Vol 10. — No 3. — P. 48–62.
dc.identifier.doidoi.org/10.23939/ujmems2024.03.048
dc.identifier.urihttps://ena.lpnu.ua/handle/ntb/119274
dc.language.isoen
dc.publisherВидавництво Львівської політехніки
dc.publisherLviv Politechnic Publishing House
dc.relation.ispartofУкраїнський журнал із машинобудування і матеріалознавства, 3 (10), 2024
dc.relation.ispartofUkrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science, 3 (10), 2024
dc.relation.references[1] М.В. Василенко, О.М. Алексейчук, Теорія коливань та стійкість руху: Підручник [Теорія коливань та стійкість руху: Підручник]. Київ, Україна: Вища школа, с. 525, 2004 [українською мовою].
dc.relation.references[2] Р.В. Клаф, Дж. Пензіен, Динаміка конструкцій. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1977.
dc.relation.references[3] Г.П. Лангтанген та С. Лінге, Обчислення з диференціальними рівняннями в частинних похідних: сучасний програмний підхід (1-ше вид.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer Publishing Company, Incorporated, 2017.
dc.relation.references[4] Г.Д. Сміт, Чисельне розв'язання диференціальних рівнянь з частинними похідними: методи скінченних різниць. Оксфорд, Англія: Clarendon Press, 1985.
dc.relation.references[5] Н. Шалламель, В. Піканде, Б. Колет, Т. Мішеліч, І. Елішакофф, К. М. Ван, «Перегляд методів скінченних різниць та скінченних елементів, застосованих до структурної механіки в межах збагачених континуумів», Eur. J. Mech. A/Solids, т. 53, с. 107-120, 2015.
dc.relation.references[6] Ю. Харченко, А. Хутій, В. Гайдук, «Вплив сил тертя на поширення поздовжніх хвиль у застряглій бурильній колоні у свердловині», Quarterly Tribologia, т. 282, № 6, стор. 79-87
dc.relation.references[7] В. Гуляєв, Є. Андрусенко, С. Глазунов, "Комп'ютерне моделювання перетягування з обертанням бурильної колони в 3D похилій звивистій свердловині", SN Applied Sciences, 2019,
dc.relation.references[8] М.С. Сіддікі, Х. Пракасан, Т. Путія та Г. Пандей, "Комплексне дослідження контролю вібрації та оцінки бурильної колони під час буріння", AIP Conf. Proc., т. 2855, № 1, 2023.
dc.relation.references[9] П. Арджун Патіл, К. Теодоріу, «Розробка моделі крутильної бурильної колони та параметричне дослідження факторів, що впливають на прилипання-ковзання», ASME. J. Energy Resour. Technol., т. 135, № 1, 2013.
dc.relation.references[10] X. Shi, W. Huang та D. Gao, «Механічна поведінка бурильної колони з осцилятором під час ковзного буріння», у Computational and Experimental Simulations in Engineering, ICCES 2021, Springer, Cham, 2021.
dc.relation.references[11] T. Feng, M. Vadali, Z. Ma, D. Chen, J. Dykstra, «Метод скінченних елементів з повним моделюванням долотової сили для аналізу вібрації бурильної колони», ASME. J. Dyn. Sys., Meas., Control., vol. 139, no. 9 вересня 2017 р.
dc.relation.references[12] Т. Батлін, Р.С. Ленглі, «Ефективна модель динаміки бурильної колони», J. Sound Vib., т. 356, с. 100-123, 2015.
dc.relation.references[13] C. Ke, X. Song, «Обчислювально ефективне моделювання динаміки свердловинної бурової системи, що інтегрує метод скінченних елементів та матрицю перенесення», ASME. J. Dyn. Sys., Meas., Control., т. 139, № 12, 2017.
dc.relation.references[14] M. Cai, L. Mao, X. Xing, H. Zhang, J. Li, «Аналіз нелінійних бічних коливань бурильної колони в криволінійних свердловинах з балкою з методом скінченних елементів», Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 104, 2022.
dc.relation.references[15] М. Мохаммадзаде, М. Шахголі, М. Арбабтафті, Дж. Ян, «Вібраційний аналіз повністю зв'язаної нелінійної моделі скінченних елементів композитних бурильних колон», Arch Appl Mech, т. 90, с. 1373-1398, 2020.
dc.relation.referencesen[1] M.V. Vasylenko, O.M. Alekseichuk, Teoriia kolyvan ta stiikist rukhu: Pidruchnyk [Teoriia kolyvan ta stiikist rukhu: Pidruchnyk]. Kyiv, Ukraine: Vyshcha shkola, P. 525, 2004 [ukrainskoiu movoiu].
dc.relation.referencesen[2] R.V. Klaf, Dzh. Penzien, Dynamika konstruktsii. Niu-York, shtat Niu-York: McGraw-Hill, 1977.
dc.relation.referencesen[3] H.P. Lanhtanhen ta S. Linhe, Obchyslennia z dyferentsialnymy rivnianniamy v chastynnykh pokhidnykh: suchasnyi prohramnyi pidkhid (1-she vyd.). Niu-York, shtat Niu-York: Springer Publishing Company, Incorporated, 2017.
dc.relation.referencesen[4] H.D. Smit, Chyselne rozviazannia dyferentsialnykh rivnian z chastynnymy pokhidnymy: metody skinchennykh riznyts. Oksford, Anhliia: Clarendon Press, 1985.
dc.relation.referencesen[5] N. Shallamel, V. Pikande, B. Kolet, T. Mishelich, I. Elishakoff, K. M. Van, "Perehliad metodiv skinchennykh riznyts ta skinchennykh elementiv, zastosovanykh do strukturnoi mekhaniky v mezhakh zbahachenykh kontynuumiv", Eur. J. Mech. A/Solids, V. 53, P. 107-120, 2015.
dc.relation.referencesen[6] Yu. Kharchenko, A. Khutii, V. Haiduk, "Vplyv syl tertia na poshyrennia pozdovzhnikh khvyl u zastriahlii burylnii koloni u sverdlovyni", Quarterly Tribologia, V. 282, No 6, P. 79-87
dc.relation.referencesen[7] V. Huliaiev, Ye. Andrusenko, S. Hlazunov, "Kompiuterne modeliuvannia peretiahuvannia z obertanniam burylnoi kolony v 3D pokhylii zvyvystii sverdlovyni", SN Applied Sciences, 2019,
dc.relation.referencesen[8] M.S. Siddiki, Kh. Prakasan, T. Putiia ta H. Pandei, "Kompleksne doslidzhennia kontroliu vibratsii ta otsinky burylnoi kolony pid chas burinnia", AIP Conf. Proc., V. 2855, No 1, 2023.
dc.relation.referencesen[9] P. Ardzhun Patil, K. Teodoriu, "Rozrobka modeli krutylnoi burylnoi kolony ta parametrychne doslidzhennia faktoriv, shcho vplyvaiut na prylypannia-kovzannia", ASME. J. Energy Resour. Technol., V. 135, No 1, 2013.
dc.relation.referencesen[10] X. Shi, W. Huang ta D. Gao, "Mekhanichna povedinka burylnoi kolony z ostsyliatorom pid chas kovznoho burinnia", u Computational and Experimental Simulations in Engineering, ICCES 2021, Springer, Cham, 2021.
dc.relation.referencesen[11] T. Feng, M. Vadali, Z. Ma, D. Chen, J. Dykstra, "Metod skinchennykh elementiv z povnym modeliuvanniam dolotovoi syly dlia analizu vibratsii burylnoi kolony", ASME. J. Dyn. Sys., Meas., Control., vol. 139, no. 9 veresnia 2017 y.
dc.relation.referencesen[12] T. Batlin, R.S. Lenhli, "Efektyvna model dynamiky burylnoi kolony", J. Sound Vib., V. 356, P. 100-123, 2015.
dc.relation.referencesen[13] C. Ke, X. Song, "Obchysliuvalno efektyvne modeliuvannia dynamiky sverdlovynnoi burovoi systemy, shcho intehruie metod skinchennykh elementiv ta matrytsiu perenesennia", ASME. J. Dyn. Sys., Meas., Control., V. 139, No 12, 2017.
dc.relation.referencesen[14] M. Cai, L. Mao, X. Xing, H. Zhang, J. Li, "Analiz neliniinykh bichnykh kolyvan burylnoi kolony v kryvoliniinykh sverdlovynakh z balkoiu z metodom skinchennykh elementiv", Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 104, 2022.
dc.relation.referencesen[15] M. Mokhammadzade, M. Shakhholi, M. Arbabtafti, Dzh. Yan, "Vibratsiinyi analiz povnistiu zviazanoi neliniinoi modeli skinchennykh elementiv kompozytnykh burylnykh kolon", Arch Appl Mech, V. 90, P. 1373-1398, 2020.
dc.rights.holder© Національний університет “Львівська політехніка”, 2024
dc.rights.holder© Kharchenko Ye., Bilovus A., 2024
dc.subjectmechanical oscillations
dc.subjectsystems with distributed parameters
dc.subjectdiscretization
dc.subjectmodal analysis
dc.subjectforced oscillations
dc.subjectpower excitation
dc.subjectkinematic excitation
dc.subjectconvergence of calculation results
dc.titleModeling of free and forced longitudinal oscillations of a straight rod using the direct discretization method
dc.typeArticle

Files

Original bundle

Now showing 1 - 2 of 2
Loading...
Thumbnail Image
Name:
2024v10n3_Kharchenko_Y-Modeling_of_free_and_forced_48-62.pdf
Size:
624.24 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Loading...
Thumbnail Image
Name:
2024v10n3_Kharchenko_Y-Modeling_of_free_and_forced_48-62__COVER.png
Size:
483.91 KB
Format:
Portable Network Graphics

License bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
license.txt
Size:
1.76 KB
Format:
Plain Text
Description: