Initial-boundary value problem for the equation of forced vibrations of a cantilever beam

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this paper, an initial-boundary value problem for the equation of forced vibrations of a cantilever beam is studied. Such a linear differential equation of the fourth order describes bending transverse vibrations of a homogeneous beam under the action of an external force in the absence of rotational motion during bending.

The system of eigenfunctions of the one-dimensional spectral problem, which is orthogonal and complete in the space of square-summable functions, is constructed by the method of separation of variables. The uniqueness of the solution to the initial-boundary value problem is proved in two ways: (i) using the energy integral; (ii) relying on the completeness property of the system of eigenfunctions.

The solution to the problem was first found in the absence of an external force and homogeneous boundary conditions, and then the general case was considered in the presence of an external force and inhomogeneous boundary conditions. In both cases, the solution of the problem is constructed as the sum of the Fourier series.

Estimates of the coefficients of these series and the system of eigenfunctions are obtained. On the basis of the established estimates, sufficient conditions were found for the initial functions, the fulfillment of which ensures the uniform convergence of the constructed series in the class of regular solutions of the beam vibration equation, i.e. existence theorems for the solution of the stated initial-boundary value problem are proved. Based on the solutions obtained, the stability of the solutions of the initial-boundary value problem is established depending on the initial data and the right-hand side of the equation under consideration in the classes of square-summable and continuous functions.

About the authors

Kamil B. Sabitov

Samara State Technical University

Email: sabitov_fmf@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9516-2704
SPIN-code: 3011-3873
Scopus Author ID: 6603447719
http://www.mathnet.ru/rus/person11101

Dr. Phys. & Math. Sci.; Professor; Dept. of Higher Mathematics

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Oksana V. Fadeeva

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: faoks@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1704-9524
SPIN-code: 9266-7262
Scopus Author ID: 57223162055
http://www.mathnet.ru/rus/person41418

Cand. Phys. & Math. Sci.; Associate Professor; Dept. of Higher Mathematics

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

  1. Tikhonov A. N., Samarskii A. A. Uravneniia matematicheskoi fiziki [Equations of Mathematical Physics]. Moscow, Nauka, 1966, 724 pp. (In Russian)
  2. Rayleigh L. Teoriia zvuka [The Theory of Sound]. Moscow, Gostehizdat, 1955, 503 pp. (In Russian)
  3. Krylov A. N. Vibratsiia sudov [The Ship Vibration]. Leningrad, Moscow, 1936, 442 pp. (In Russian)
  4. Collatts L. Zadachi na sobstvennye znacheniia s tekhnicheskimi prilozheniiami [The Eigenvalue Problem with Technical Applications]. Moscow, Nauka, 1968, 503 pp. (In Russian)
  5. Biderman V. L. Teoriia mekhanicheskikh kolebanii [Theory of Mechanical Vibrations]. Moscow, Vyssh. shk., 1980, 408 pp. (In Russian)
  6. Timoshenko S. P. Kolebaniia v inzhenernom dele [Fluctuations in Engineering]. Moscow, Fizmatlit, 1967, 444 pp. (In Russian)
  7. Rudakov I. A. Periodic solutions of the quasilinear beam vibration equation with homogeneous boundary conditions, Differ. Equ., 2012, vol. 48, no. 6, pp. 820–831. https://doi.org/10.1134/S0012266112060067.
  8. Li S., Reynders E., Maes K., De Roeck G. Vibration-based estimation of axial force for abeam member with uncertain boundary conditions, J. Sound Vibrat., 2013, vol. 332, no. 4, pp. 795–806. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2012.10.019.
  9. Rudakov I. A. Periodic solutions of the quasilinear equation of forced beam vibrations with homogeneous boundary conditions, Izv. Math., 2015, vol. 79, no. 5, pp. 1064–1086. https://doi.org/10.1070/IM2015v079n05ABEH002772.
  10. Wang Y.-R., Fang Z.-W. Vibrations in an elastic beam with nonlinear supports at both ends, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2015, vol. 56, no. 2. https://doi.org/10.1134/S0021894415020200.
  11. Sabitov K. B. Fluctuations of a beam with clamped ends, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2015, vol. 19, no. 2, pp. 311–324 (In Russian). https://doi.org/10.14498/vsgtu1406.
  12. Sabitov K. B. A remark on the theory of initial-boundary value problems for the equation of rods and beams, Differ. Equ., 2017, vol. 53, no. 1, pp. 86–98. https://doi.org/10.1134/S0012266117010086.
  13. Sabitov K. B. Cauchy problem for the beam vibration equation, Differ. Equ., 2017, vol. 53, no. 5, pp. 658–664. https://doi.org/10.1134/S0012266117050093.
  14. Kasimov S. G., Madrakhimov U. S. Initial-boundary value problem for the beam vibration equation in the multidimensional case, Differ. Equ., 2019, vol. 55, no. 10, pp. 1336–1348. https://doi.org/10.1134/S0012266119100094.
  15. Sabitov K. B., Akimov A. A. Initial-boundary value problem for a nonlinear beam vibration equation, Differ. Equ., 2020, vol. 56, no. 5, pp. 621–634. https://doi.org/10.1134/S0012266120050079.
  16. Naimark M. A. Lineinye differentsial’nye operatory [Linear Differential Operators]. Moscow, Nauka, 1969, 528 pp. (In Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2021 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».