Nonlinear dynamic analysis of viscoelastic membranes described with fractional differential models

The dynamic response of an initially flat viscoelastic membrane is investigated. The viscoelastic model is described with fractional order derivatives. The membrane is subjected to surface transverse and inplane dynamic loads. The governing equations are three coupled second order nonlinear partial FDEs (fractional differential equations) of hyperbolic type in terms of the displacement components. These equations are solved using the BEM for fractional partial differential equations developed recently by Katsikadelis. Without excluding other viscoelastic models, the herein employed material is the Kelvin-Voigt model with a fractional order derivative. Numerical examples are presented which not only demonstrate the efficiency of the solution procedure, but also give a better insight into this complicated but very interesting response of structural viscoelastic membranes. It is worth noting that in case of resonance, phenomena similar to those of the Duffing equation are observed.

W pracy przedstawiono analizę dynamiki płaskiej powłoki lepko-sprężystej po wstępnym ugięciu. Reologiczny model materiału powłoki opisano równaniem o pochodnych ułamkowych. Powłokę poddano płaskiemu, poprzecznemu obciążeniu zewnętrznemu. Zagadnienie dynamiki ujęto układem trzech sprzężonych nieliniowych równań różniczkowych typu hiperbolicznego o pochodnych ułamkowych. Równania rozwiązano metodą elementów brzegowych (BEM) sformułowaną przez autora właśnie dla układów opisanych pochodnymi ułamkowymi. W prezentowanej pracy założono, że powłoka wykonana jest z lepko-sprężystego materiału Kelvina-Voigta o pochodnej ułamkowej, choć samo sformułowanie BEM nie wyklucza możliwości analizy innych modeli reologicznych. Przedstawiono kilka przykładów symulacji numerycznych pokazujących efektywność zastosowanej metody rozwiązywania oraz dających lepszy obraz interesującej, lecz skomplikowanej dynamiki lepko-sprężystych powłok. Warto również podkreślić, że w warunkach rezonansowych odnotowano zjawiska podobne do obserwowanych w układzie Duffinga.