Non-linear global dynamics of an axially moving plate

Non-linear global dynamics of an axially moving plate

Author's Accepted Manuscript Nonlinear global dynamics of an axially moving plate Mergen H. Ghayesh, Marco Amabili www.elsevier.com/locate/nlm PII:...

6MB Sizes 0 Downloads 22 Views

Author's Accepted Manuscript

Nonlinear global dynamics of an axially moving plate Mergen H. Ghayesh, Marco Amabili

www.elsevier.com/locate/nlm

PII: DOI: Reference:

S0020-7462(13)00120-0 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2013.06.005 NLM2183

To appear in:

International Journal of Non-Linear Mechanics

Received date: 20 September 2012 Revised date: 27 May 2013 Accepted date: 8 June 2013 Cite this article as: Mergen H. Ghayesh, Marco Amabili, Nonlinear global dynamics of an axially moving plate, International Journal of Non-Linear Mechanics, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2013.06.005 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting galley proof before it is published in its final citable form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Nonlinear global dynamics of an axially moving plate    Mergen H. Ghayesh*, Marco Amabili  Department of Mechanical Engineering, McGill University, 817 Sherbrooke St. West,  Montreal, Quebec, Canada H3A 0C3   *Corresponding author: [email protected], Tel: (+1) 514 398‐6290 

  Abstract   In the present study, the geometrically nonlinear dynamics of an axially moving  plate is examined by constructing the bifurcation diagrams of Poincaré maps for  the system in the sub and supercritical regimes. The von Kármán plate theory is  employed to model the system by retaining in‐plane displacements and inertia.  The governing equations of motion of this gyroscopic system are obtained based  on  an  energy  method  by  means  of  Lagrange  equations  which  yields  a  set  of  second‐order  nonlinear  ordinary  differential  equations  with  coupled  terms.  A  change  of  variables  is  employed  to  transform  this  set  into  a  set  of  first‐order  nonlinear  ordinary  differential  equations.  The  resulting  equations  are  solved  using  direct  time  integration,  yielding  time‐varying  generalized  coordinates  for  the in‐plane and out‐of‐plane motions. From these time histories, the bifurcation  diagrams  of  Poincaré  maps,  phase‐plane  portraits,  and  Poincaré  sections  are 

1   

constructed at points of interest in the parameter space for both the axial speed  regimes.  Keywords: Axially moving plates; Nonlinear dynamics; Bifurcations; Stability    1. Introduction  The class of axially moving systems are widely used in many engineering  devices  and  machine  components;  for  example,  they  are  simplified  models  of  band  saw  blades,  paper  sheets,  textile  fibers,  robotic  manipulators,  conveyor  belts,  and  magnetic  tapes.  The  axial  speed  plays  an  important  role  in  the  dynamical  behaviour  of  this  class  of  systems.  The  natural  frequencies  of  the  system  decrease  with  increasing  axial  speed  and  at  a  certain  value,  which  is  called  critical  axial  speed,  the  first  natural  frequency  of  a  conservative  system  vanishes,  which  causes  the  system  to  lose  stability  via  divergence,  leading  to  buckling. The axial speed range before the critical axial speed is called subcritical  regime  and  that  after  the  critical  speed  is  called  supercritical  regime.  Studies  concerning the dynamics of axially moving systems can be classified mainly into  two  general  groups  in  terms  of  models  being  considered,  i.e.  one‐dimensional 

2   

such  as  beams  and  strings  [1],  and  two‐dimensional  such  as  membranes  and  plates.  The  linear  and  nonlinear  dynamics  of  axially  moving  one‐dimensional  systems (such as beams and strings) has received considerable attention in the  literature.  For  example,  Pakdemirli  and  co‐workers  [2‐5]  investigated  the  dynamics  of  axially  moving  beams  and  strings  by  means  of  the  method  of  multiple  timescales  and  matched  asymptotic  expansion.  A  systematic  research  on  the  dynamics  of  axially  moving  beams  and  strings  were  conducted  by  Chen  and  co‐workers  [6,  7],  who  introduced  viscoelastic  models  for  the  system,  and  employed  different  analytical  and  numerical  techniques.  Sub  and  supercritical  nonlinear dynamics of an axially moving beam with special consideration to the  case with an internal resonance was examined numerically by Ghayesh et al. [8].  The coupled longitudinal‐transverse dynamics of an axially accelerated beam was  investigated by Ghayesh [9], who discovered period‐doubling bifurcations in the  resonant dynamics of the system.   The  literature  on  the  dynamics  of  axially  moving  two‐dimensional  models (such as membranes and plates) is not large; the dynamics of stationary  (not axially moving) plates has been studied extensively, for example, by Amabili  and  co‐workers  [10‐12].  The  linear  models  of  axially  moving  two‐dimensional 

3   

systems were developed and analyzed, for instance, by: Lin [13], who examined  the  influence  of  a  uniform  in‐plane  tension  in  the  transport  direction  on  the  dynamics  of  an  axially  moving  plate;  Kim  et  al.  [14],  who  developed  a  modal  spectral element for a thin axially moving plate travelling at a constant speed and  subjected  to  a  uniform  axial  tension;  Yin‐feng  and    Zhong‐min  [15],  who  introduced the Kelvin‐Voigt viscoelastic model to the mathematical model of an  axially  moving  plate  with  parabolically  varying  thickness;    Banichuk  et  al.  [16],  who examined the stability of an axially moving elastic thin plate; and Yang et al.  [17], who investigated the dynamics of an axially moving composite plate. These  studies were extended and pursued for nonlinear models of axially moving two‐ dimensional models; the literature in this case is not large [18, 19]. For instance,  Luo  and  Hamidzadeh  [20]  determined  the  natural  frequencies  and  dynamic  responses  of  an  axially  moving  plate.  Hatami  et  al.  [21]  employed  the  finite  element method to examine the nonlinear vibrations of an axially moving plate.  The  three‐dimensional  (i.e.,  by  retaining  all  in‐plane  and  out‐of‐plane  displacements and inertia) nonlinear global dynamics of axially moving plates has  not been studied yet; in other words,  bifurcation diagrams Poincaré maps for an  axially moving plate has not been investigated in the literature yet. The current  paper is the first to do so.  

4   

In  this  effort,  the  nonlinear  global  dynamics  of  an  axially  moving  plate  subjected  to  a  distributed  harmonic  excitation  load  is  investigated  by  constructing the bifurcation diagrams of Poincaré maps as either the axial speed  or  the  forcing  amplitude  is  varied.  The  plate  is  modeled  via  von  Kármán  plate  theory  taking  into  account  Kirchhoff’s  hypothesis,  retaining  in‐plane  displacements  and  inertia;  this  paper  is  the  first  which  retains  all  in‐plane  and  out‐of‐plane displacements in the nonlinear analysis of an axially moving plate‐‐     the  computer  codes  should  be  well‐optimized  for  this  operation. The  potential  and kinetic energies of the system are constructed and inserted in the Lagrange  equations  which  yield  a  set  of  second‐order  nonlinear  coupled  ordinary  differential equations.  These equations are solved via direct time integration by   

means  of Gear’s  backward‐differentiation‐formula  (BDF)  dealing  with  the  stiff  nonlinear equations, yielding the amplitudes of oscillation as functions of time.  Thus,  bifurcation  diagrams  of  Poincaré  maps  are  constructed  using  either  the  axial speed or the forcing amplitude as the bifurcation parameter. The analyses  also include the system in the supercritical regime. This paper is the first which  investigates  the  nonlinear  global  dynamics  of  an  axially  moving  plate.  The  nonlinear  global  dynamics  of  an  axially  moving  plate  retaining  all  in‐plane  and 

5   

out‐of‐plane  displacements  and  inertia  has  not  been  studied  before  in  the  literature;  the  bifurcation  diagrams  of  Poincaré  maps  are  constructed  in  this  paper for the first time for an axially moving plate retaining all in‐plane and out‐ of‐plane displacements and inertia. 

 

2. Model development and method of solution  As shown in Fig. 1, a rectangular plate with Cartesian coordinate system  (O; x, y, z), having the origin O at one corner is considered. In‐plane dimensions  and thickness are denoted by a, b, and h, respectively; x and y axes define the  mid‐plane  of  the  plate  and  z  denotes  the  out‐of‐plane  coordinate.  The  displacements  of  each  point  of  the  mid‐plane  of  the  plate  are  denoted  by  u=u(x,y,t), v=v(x,y,t), and w=w(x,y,t) in the x, y, and z directions from the static  equilibrium (u=v=w=0), respectively. The plate is assumed to be subject to an in‐ plane pretension per unit width P in the x direction. The plate is also considered  to be travelling in the x direction at a constant axial speed cv (in m/s). Moreover,  a  distributed  harmonic  force  per  unit  area f1 sin (π x a ) sin (π y b ) co s(ω t ) ,  orthogonal to the plate, is applied;  ω is the excitation frequency and the forcing 

6   

amplitude is denoted by f1 sin (π x a ) sin (π y b ) , positive in the z direction (f1 is  in N/m2).  In  what  follows,  the  kinetic  and  potential  energies  of  the  system  are  constructed  as  functions  of  the  in‐plane  and  out‐of‐plane  displacements;  they  are  then  inserted  into  the  Lagrange  equations  so  as  to  obtain  the  discretized  equations of motion.  Compared to the case of a stationary plate, due to presence of the axial  speed, axial speed‐dependent terms emerge in the kinetic energy of the system;  the kinetic energy of the system is constructed as  2 2 2 a b ⎡ ⎛ ∂u ⎞ 1 ⎛ ∂v ⎞ ⎛ ∂ w ⎞ ⎤ TP = ρ h ∫ ∫ ⎢⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎥  dxdy 0 0 2 t t t ∂ ∂ ∂ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎦ ⎣ 2 2 2 a b ⎡ ⎛ ∂u ⎞ 1 ⎛ ∂ v ⎞ ⎛ ∂w ⎞ ⎤        + ρ hcv 2 ∫ ∫ ⎢⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎥  dxdy 0 0 ∂ ∂ ∂ 2 x x x ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎦ ⎣

⎡ ∂u ∂u ∂v ∂ v ∂ w ∂ w ⎤ + +  dxdy 0 ∫0 ⎢ ∂t ∂x ∂t ∂x ∂t ∂x ⎥⎦ ⎣ a b⎡ ∂u ∂u ⎤ 1 + 2cv 2 ⎥  dxdy ,        + ρ h ∫ ∫ ⎢ cv 2 + 2cv 0 0 ∂t ∂x ⎦ 2 ⎣        + ρ hcv ∫

a

b

                                                     (1)

where  ρ  denotes the mass density of the plate and t represents time.  The  following  relations,  between  the  strain  of  a  generic  point  of  the  plate and the displacement field, are given for the von Kármán plate theory [12]: 

7   

∂u 1 ∂ w ⎞ ∂ 2w ε xx = + ⎛⎜ ⎟ −z 2 , ∂x 2 ⎝ ∂x ⎠ ∂x 2

2

∂v 1 ⎛ ∂ w ⎞ ∂ 2w                                                                            (2)  − ε yy = + ⎜ z , ∂y 2 ⎝ ∂y ⎟⎠ ∂y 2 ∂u ∂ v ∂ w ∂ w ∂ 2w γ xy = + + − 2z ,      ∂ y ∂x ∂ x ∂ y ∂ x ∂y

where  ε xx  ,  ε yy  and  γ xy  represent the strain components at an arbitrary point of  the  plate  at  a  distance  z  from  the  mid‐plane.  As  seen  in  Eq.  (2),  the  source  of  nonlinearity is geometric due to large displacements.  The  relations  between  the  Kirchhoff  stresses  ( σ xx   ,  σ yy   and  τ xy )  and  Green  strains  ( ε xx   ,  ε yy   and  γ xy )  for  homogeneous  and  isotropic  materials  are  given by 

E (ε xx +νε yy ) , 1 −ν 2 E σ yy = (ε yy +νε xx ) ,                                                                                                  (3)  1 −ν 2 E τ xy = γ xy , 2(1 +ν )

σ xx =

where ν  and E  are the Poisson ratio and Young’s modulus, respectively.  Under Kirchhoff’s hypothesis, the elastic potential energy of the plate can  be expressed as [12] 

8   

UP =

a b ⎛ ∂u 1 a b h /2 1 ∂w ⎞ σ xxε xx + σ yy ε yy + τ xy γ xy ) dxdydz + P ∫ ∫ ⎜⎜ + ⎜⎛ ( ⎟ ∫ ∫ ∫ 0 0 ∂x 2 0 0 − h /2 2 ⎝ ∂x ⎠ ⎝

2

⎞ ⎟⎟  dxdy.    (4)  ⎠

where it is assumed that there is a uniform pre‐stress σ xx(0) in the x direction, while  there are no pre‐stress components in the normal stress in the y direction and  the shear stress. Integrating this pre‐stress over the thickness of the plate gives  the pretension per unit width, i.e.  P = ∫

h /2

− h /2

σ (0) xx dz . Substitution of Eqs. (2) and 

(3) into Eq. (4) results in the potential energy as a function of displacement field.  The  virtual  work  due  to  a  distributed  harmonic  force  per  unit  area f1 sin (π x a ) sin (π y b ) co s(ω t ) , orthogonal to the plate, may be expressed as  

W =∫

a

0



b

0

⎛ ⎞ ⎛πx ⎞ ⎛πy ⎞ ⎜ wf1 sin ⎜ a ⎟ sin ⎜ b ⎟ cos(ω t ) ⎟ dxdy ,                                                           (5)  ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

where, it is assumed that the external forces in the x and y directions are zero.   The nonconservative external damping forces, assumed to be of viscous  type, are assumed using the Rayleigh dissipation function as follows:  2 2 2 1 a b ⎡ ⎛ ∂u ⎞ ⎛ ∂v ⎞ ⎛ ∂w ⎞ ⎤ F = c ∫ ∫ ⎢⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎥ dxdy ,                                                              (6)  2 0 0 ⎣ ⎝ ∂t ⎠ ⎝ ∂t ⎠ ⎝ ∂t ⎠ ⎦

where c is the damping coefficient.  

9   

The  following  expressions  are  used  to  expand  the  in‐plane  and  out‐of‐ plane displacements, satisfying identically the geometric boundary conditions of  the simply‐supported plate with immovable edges:   M

N

u(x , y ,t ) = ∑∑ um ,n (t )sin(mπ x / a)sin(nπ y / b), m =1 n =1 M

N

v(x , y ,t ) = ∑∑ vm ,n (t )sin(mπ x / a)sin(nπ y / b),                                                          (7)  m =1 n =1   M N

w(x , y ,t ) = ∑∑ wm ,n (t )sin(mπ x / a)sin(nπ y / b), m =1 n =1

where  m  and  n  are  the  numbers  of  half‐waves  in  the  x  and  y  direction,  respectively;  um ,n (t ) ,  v m ,n (t ) ,  and  w m ,n (t )   denote  the  generalized  coordinates— these  generalized  coordinates  are  unknown  functions  of  time  which  will  be  determined through numerical solutions. The exact values of M and N in Eq. (7)  are  not  determined  at  this  step,  in  order  not  to  lose  generality.  Instead,  the  number of generalized coordinates employed is defined by subscripts in Section  3, last paragraph (above Section 3.1). All modes in series are not used one after  the other; for more information, please see Ref. [10].  In what follows, the following notation is introduced for brevity:  q = {um ,n , vm ,n , wm ,n } ,                                                                                                                (8)  T

10   

where  the  elements  of  the  vector  qi,  are  time‐dependent  generalized  coordinates and the dimension of this vector is equal to the number of degrees  of freedom.   The  generalized  forces  Q j   are  obtained  by  differentiating  the  Rayleigh  dissipation function and of the virtual work done by external forces 

Qj = −

∂F ∂W ,                           j = 1,...., N ,                                                                 (9)  + ∂q j ∂q j

where  N  is the number of degrees of freedom.  The  Lagrange  equations,  which  bypass  setting  up  partial‐differential  equations,  and hence result in a set of nonlinear ordinary differential equations of motions  are given as follows:  d ⎛ ∂TP ⎜ dt ⎜⎝ ∂q j

⎞ ∂TP ∂UP + = Q j ,                            j = 1,...., N ,                                              (10)  ⎟⎟ − ∂ ∂ q q j j ⎠

Substitution  of  Eq.  (7)  into  Eq.  (2)  and  inserting  the  resulting  expression  along  with Eq. (3) into Eq. (4) gives the potential energy of the system in terms of the  generalized coordinates. Furthermore, inserting Eq.(7) into Eq. (1) results in the  kinetic energy in terms of generalized coordinates. Moreover, substituting Eq. (7)  into Eqs. (5) and (6), and inserting the resultant equations into Eq. (9) gives the 

11   

generalized  forces    in  terms  of  generalized  coordinates.  Substituting  these  functions  into  Eq.  (10)  leads  to  a  set  of  N  coupled  second‐order  nonlinear  ordinary  differential  equations.  Transforming  this  set  into  2N  first‐order  nonlinear  ordinary  differential  equations  via  a  change  of  variables  by means  of  the  transformation  yi =qi   with i = 1,2,..., N   allows  for  application  of  standard  numerical techniques. This set is solved via direct time integration by means of    Gear’s  backward‐differentiation‐formula  (BDF),  yielding  time  histories  of  all  generalized coordinates.    3. Bifurcation diagrams of Poincaré maps   The  nonlinear  global  dynamics  of  the  system  is  investigated  in  this  section by means of direct time integration via Gear’s backward‐differentiation‐ formula  (BDF).  The  forcing  amplitude  and  axial  speed  are  taken  as  bifurcation  parameters in the first and second parts, respectively. Poincaré section at each  bifurcation parameter is plotted, yielding bifurcation diagrams of Poincaré maps,  which  helps  us  in  identifying  different  motions  such  as  periodic,  period‐n,  quasiperiodic,  and  chaotic  ones.  At  each  bifurcation  parameter,  the  time  response  is  obtained  for  a  sufficient  time  interval  in  order  to  exclude  any  possible  transient  effects.  The  phase  space  is  sectioned  in  every  period  of  the 

12   

exciting force in order to construct the bifurcation diagrams of Poincaré maps. In  order to follow a certain attractor by increasing the given bifurcation parameter,  the  final  value  of  generalized  coordinates  at  each  step  is  taken  as  the  initial  condition for the next step. Moreover, it is implied response and amplitude are  with respect to the w1,1 motion and the amplitude of the w1,1 motion where it is  sectioned, respectively.  A  rectangular  aluminium  plate  with  the  following  dimensions  and  mechanical properties are considered: a=0.515 m, b=0.184 m, h=0.0003 m, E=69  GPa,  ρ=2700  kg/m3,  and  ν=0.33.  The  same  modal  damping  ratio  of  ζ=0.0117  is  utilized  for  all  generalized  coordinates,  according  to  Ref.  [10]  and  [12];  the  pretension  P=10  N/m  is  used  for  all  cases.  A  thirty‐degree‐of‐freedom  system  involving  the  following  generalized  coordinates  are  used:  w1,1,  w2,1,  w3,1,  w4,1,  w1,3, w2,3, w3,3, w4,3, w1,2, u1,1, u2,1, u3,1, u4,1, u5,1, u1,3, u2,3, u3,3, u4,3, u5,3, u1,2, u2,2,  v1,1, v2,1, v1,2, v2,2, v3,2, v4,2, v5,2, v1,3, and v2,3; specifically, 60 first‐order nonlinear  ordinary  differential  equations  with  coupled  terms  are  solved  via  direct  time  integration.      

13   

3.1. The forcing amplitude as the bifurcation parameter  The  bifurcation  diagrams  of  Poincaré  maps  for the  first  four  generalized  coordinates  corresponding  to  the  out‐of‐plane  motion  versus  the  forcing  amplitude are shown in Fig. 2, 5, 7, 8, and 10 for the axial speeds of cv= 5.0000,  10.0000, 13.0000, 15.0000 , and 28.0000. The excitation frequency is set to the  linear  fundamental  natural  frequency  for  the  out‐of‐plane  motion  and  π/12  phase‐shift is induced in the excitation force.   Figure  2  (a‐d)  presents  the  bifurcation  diagram  of  the  system  with  cv=  5.0000.  As  seen  in  Fig.  2(a),  for  zero  forcing  amplitude  it  was  found  that  the  response is zero; this is as expected as it is physically meaningful for the system  in  the  subcritical  regime.  As  the  forcing  amplitude  is  increased  gradually  from  zero,  the  periodic  response  amplitude  increases  accordingly  until  f1=4.0268;  typical  characteristics  of  the  periodic  motion  at  f1=2.0134  are  shown  in  Fig.  3  through  time  histories,  phase‐plane  portraits,  and  Poincaré  sections  of  the  generalized  coordinates  w1,1,  w2,1,  w3,1,  and  w4,1,  respectively.  As  the  forcing  amplitude is increased slightly, the motion becomes quasiperiodic in the interval  [4.1074 4.5906]; some typical characteristics of the quasiperiodic motion in this  interval are shown in Fig. 4 (a‐l) for f1=4.2685—closed circuits in sub‐figures (i‐l)  illustrate  the  quasiperiodicity.  At  f1=4.6711,  the  system  returns  to  its  original 

14   

period  and  maintains  that  period  until  f1=7.0067,  where  a  jump  occurs.  As  the  forcing  amplitude  is  increased  further,  another  jump  occurs  at  f1=8.4564.  At  f1=9.1007,  the  motion  becomes  quasiperiodic  and  the  system  maintains  that  quasiperiodicity until the next event. This quasiperiodic motion leads the system  to  have  dominantly  chaotic  motion  in  the  forcing  amplitude  range  of  [9.5034  12.0000].   Increasing  the  axial  speed  to  10.0000,  from  5.0000  in  Fig.  2,  Fig.  5  is  generated.  As  seen  in  Fig.  5  (a),  as  the  forcing  amplitude  is  increased  the  response  amplitude  increases  until  a  jump  occurs  at  f1=1.6913,  which  is  accompanied  by  a  sudden  reduction  in  the  amplitude.  By  further  incrementing  the  forcing  amplitude,  the  response  amplitude  increases  until  f1=5.6376.  The  motion is dominantly quasiperiodic in the interval of [5.7181 7.3289], except at  few  points  where  it  becomes  chaotic.  At  f1=7.4094,  the  system  returns  to  its  original  period  and  maintains  that  period  until  f1=9.1812,  where  a  small  jump  occurs.  Increasing  the  forcing  amplitude  even  further,  the  motion  becomes  quasiperiodic  in  the  interval  [10.3087  12.0000];  the  quasiperiodic  motion  characteristics are illustrated in Fig.6 for f1=12.000.   Figure  7  shows  the  bifurcation  diagrams  obtained  for  the  case  with  cv=  13.0000; this axial speed is higher than that of the previous cases (Figs. 2 and 5). 

15   

For this case, due to the effect of increased axial speed, the number of complex  regions in the cascade of bifurcations decreases.  Investigating  the  dynamics  of  the  system  with  higher  axial  speeds,  specifically  cv=  15.0000  (Fig.  8  (a‐d))  and  28.0000  (Fig.  10  (a‐d))  reveals  that,  compared to the case of Fig. 7 (cv= 13.0000), due to increased axial speed, the  cascade  of  strange  attractors  increases  and  becomes  stronger;  typical  characteristics  of  a  chaotic  motion  is  shown  in  Fig.  9  (a‐l).  Moreover,  for  the  system in the supercritical axial speed regime (see Fig. 10 (d), for example), when  the  external  excitation  amplitude  is  zero,  the  response  amplitude  for  some  generalized coordinates is a non‐zero value; this implies that the system has lost  its stability via a pitchfork bifurcation leading to buckling, even though f1=0.0000.    3.2. The axial speed as the bifurcation parameter  In this section, the axial speed is chosen as the bifurcation parameter in  the  bifurcation  diagrams  of  Poincaré  maps  for  six  constant  forcing  amplitudes.  These bifurcation diagrams are plotted in Figs. 11, 12, 13, 14, 16, and 17 for the  system with f1=1.0000, 2.0000, 3.0000, 4.0000, 6.0000, and 8.0000, respectively. 

16   

The  excitation  frequency  is  set  to  200.0000  rad/s,  and  π/12  phase‐shift  is  induced in the excitation force.   In  Fig.  11  (a‐d)  with  f1=1.0000,  the  axial  speed  is  increased  and  shows  gradual  increase  in  the  amplitude  until  cv=7.6510.  The  motion  becomes  dominantly  quasiperiodic  in  the  interval  of  [7.8523  8.8591];  at  cv=9.0604,  the  system returns to its original period and maintains that period until cv=12.6846.  There are two attractors in the interval [12.8859 24.7651], namely quasiperiodic  and  chaotic,  except  at  cv=22.5503  and  22.7517,  where  there  are  periodic  limit  cycles;  a  jump  occurs  at  cv=22.3490  which  is  accompanied  by  a  quasiperiodic  motion.  The  system  regains  the  original  period  at  cv=24.9664  and  maintains  it  until cv=30.0000.   The  bifurcation  diagram  of  the  same  system  of  Fig.  11(a,  b),  but  with  a  higher forcing amplitude (i.e. f1=2.0000) is shown in Fig. 12(a‐d). As seen in Fig.  12(a),  the  motion  is  periodic  in  the  interval  [0.0000  12.6846];  there  is  a  small  jump in the vicinity of cv=8.4564. A dominant quasiperiodicity is observed in the  interval  [12.8859  14.6980]  with  few  exceptional  chaotic  attractors.    Further  increasing the axial speed, the system regains the original period at cv=14.8993  and  maintains  that  period  until  cv=17.9195.  Increasing  the  axial  speed  slightly,  the  motion  becomes  dominantly  chaotic  in  the  interval  [18.1208  25.7718], 

17   

except  at  few  point  where  it  is  either  periodic  or  quasiperiodic.  Increasing  the  axial  speed  even  further,  the  motion  becomes  periodic  at  cv=25.9732  which  continues until cv=30.0000.  The  bifurcation  diagrams  of  the  system  with  higher  forcing  amplitudes  are  shown  in  Figs.  13,  14,  16,  and  17  for  the  system  with  f1=3.0000,  4.0000,  6.0000,  and  8.0000,  respectively;  for  all  of  these  cases,  the  system  shows  very  interesting  dynamics  including  periodic,  period‐doubling,  quasiperiodic,  and  chaotic motions—see Fig.14 and 15 for a period‐2 motion. From comparison of  the system dynamics in these figures, one may conclude that it is hard to make  any  general  conclusion  regarding  the  effect  of  the  forcing  amplitude  on  the  occurrence and strength of different attractors. Nevertheless, varying the forcing  amplitude  changes  the  dynamical  behaviour  of  the  system  not  only  quantitatively,  but  also  qualitatively.  Moreover,  it  is  shown  that  higher  axial  speed  does  not  necessarily  lead  the  system  to  have  a  chaotic  motion.  Furthermore, as is expected from physical perspective, at zero axial speed, there  is a non‐trivial periodic attractor.           

18   

4. Conclusions  The sub and supercritical nonlinear global dynamics of an axially moving  plate subjected to a distributed harmonic excitation load has been investigated  numerically.  The  bifurcation  diagrams  of  Poincaré  maps  were  constructed  by  varying  either  the  axial  speed  or  the  forcing  amplitude  as  the  bifurcation  parameter. The system was modelled as a von Kármán plate, taking into account  Kirchhoff’s  hypothesis  and  retaining  in‐plane  displacements  and  inertia.  The  equations  of  motion  were  obtained  via  an  energy  method  based  on  Lagrange  equations yielding a set of second‐order nonlinear coupled ordinary differential  equations.  These  equations  were  integrated  numerically  via  Gear’s  backward‐ differentiation‐formula  (BDF)  and  the  bifurcation  diagrams  of  Poincaré  maps  were constructed.   The results showed that, depending on different system parameters, very  interesting  and  rich  dynamical  behaviour  involving  periodic,  quasiperiodic,  period‐2 and chaotic motions is displayed by the system. In connection with the  cases where the forcing amplitude is varied as the bifurcation parameter, it was  found that the system with supercritical axial speed loses stability even when the  excitation  amplitude  is  zero.  Regarding  the  cases  where  the  axial  speed  is  the  control  parameter,  it  was  shown  that  the  bifurcation  diagrams  for  different 

19   

forcing  amplitudes  differ  from  each  other  both  qualitatively  and  quantitatively.  However, it is impossible to make any general conclusion on the trend of these  changes.  Moreover,  analyzing  the  bifurcation  diagrams,  varying  either  the  axial  speed  or  the  forcing  amplitude,  revealed  that,  the  system  always  starts  from  simple  periodic  motion,  and  there  is  no  sudden  strange  attractor  emerging  immediately as the bifurcation parameter is increased.                       

20   

References:  [1] E. Carrera, G. Giunta, M. Petrolo, Beam Structures: Classical and Advanced Theories,  John Wiley & Sons Ltd, 2011.  [2]  H.R.  Öz,  M.  Pakdemirli,  E.  Özkaya,  Transition  behaviour  from  string  to  beam  for  an  axially accelerating material, Journal of Sound and Vibration, 215 (1998) 571‐576.  [3]  M.  Pakdemirli,  E.  Özkaya,  Approximate  boundary  layer  solution  of  a  moving  beam  problem, Mathematical and Computational Applications, 3 (1998) 93‐100.  [4] M. Pakdemirli, A.G. Ulsoy, Stability analysis of an axially accelerating string, Journal of  Sound and Vibration, 203 (1997) 815‐832.  [5]  M.  Pakdemirli,  A.G.  Ulsoy,  A.  Ceranoglu,  Transverse  vibration  of  an  axially  accelerating string, Journal of Sound and Vibration, 169 (1994) 179‐196.  [6] L.‐Q. Chen, X.‐D. Yang, Vibration and stability of an axially moving viscoelastic beam  with hybrid supports, European Journal of Mechanics ‐ A/Solids, 25 (2006) 996‐1008.  [7] B. Wang, L.‐Q. Chen, Asymptotic stability analysis with numerical confirmation of an  axially  accelerating  beam  constituted  by  the  standard  linear  solid  model,  Journal  of  Sound and Vibration, 328 (2009) 456‐466.  [8] M.H. Ghayesh, H.A. Kafiabad, T. Reid, Sub‐ and super‐critical nonlinear dynamics of a  harmonically excited axially moving beam, International Journal of Solids and Structures,  49 (2012) 227‐243.  [9]  M.H.  Ghayesh,  Coupled  longitudinal–transverse  dynamics  of  an  axially  accelerating  beam, Journal of Sound and Vibration, 331 (2012) 5107‐5124.  [10]  M.  Amabili,  Nonlinear  vibrations  of  rectangular  plates  with  different  boundary  conditions: theory and experiments, Computers & Structures, 82 (2004) 2587‐2605.  [11]  M.  Amabili,  Theory  and  experiments  for  large‐amplitude  vibrations  of  rectangular  plates  with  geometric  imperfections,  Journal  of  Sound  and  Vibration,  291  (2006)  539‐ 565.  [12]  M.  Amabili,  Nonlinear  Vibrations  and  Stability  of  Shells  and  Plates,  Cambridge  University Press, New York, 2008.  [13] C.C. Lin, Stability and vibration characteristics of axially moving plates, International  Journal of Solids and Structures, 34 (1997) 3179‐3190.  [14] J. Kim, J. Cho, U. Lee, S. Park, Modal spectral element formulation for axially moving  plates  subjected  to  in‐plane  axial  tension,  Computers  &  Structures,  81  (2003)  2011‐ 2020.  [15]  Z.  Yin‐feng,  W.  Zhong‐min,  Vibrations  of  axially  moving  viscoelastic  plate  with  parabolically varying thickness, Journal of Sound and Vibration, 316 (2008) 198‐210.  [16] N. Banichuk, J. Jeronen, P. Neittaanmäki, T. Tuovinen, On the instability of an axially  moving elastic plate, International Journal of Solids and Structures, 47 (2010) 91‐99.  [17]  X.‐D.  Yang,  L.‐Q.  Chen,  J.W.  Zu,  Vibrations  and  stability  of  an  axially  moving  rectangular composite plate, Journal of Applied Mechanics, 78 (2011) 011018. 

21   

[18]  Y.‐Q.  Tang,  L.‐Q.  Chen,  Nonlinear  free  transverse  vibrations  of  in‐plane  moving  plates:  Without  and  with  internal  resonances,  Journal  of  Sound  and  Vibration,  330  (2011) 110‐126.  [19]  Y.‐Q.  Tang,  L.‐Q.  Chen,  Primary  resonance  in  forced  vibrations  of  in‐plane  translating viscoelastic plates with 3:1 internal resonance, Nonlinear Dynamics,  1‐14.  [20]  A.C.J.  Luo,  H.R.  Hamidzadeh,  The  nonlinear  vibration  and  stability  of  axially  travelling  thin  plates,  in:    Proceedings  of  the  ASME  Design  Engineering  Technical  Confrence, 2003, pp. 1135‐1143.  [21]  S.  Hatami,  M.  Azhari,  M.M.  Saadatpour,  Nonlinear  analysis  of  axially  of  axially  moving  plates  using  FEM,  International  Journal  of  Structural  Stability  and  Dynamics,  7  (2007) 589‐607.   

                     

22   

 

                             

b

cv

a

Fig.1. Schematic representation of an axially moving plate 

                   

 

23   

      (a) 

(b)

(c) 

(d)

  Fig.2. Bifurcation diagrams of Poincaré points for increasing forcing amplitude on the system with  cv=5.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.        

 

24   

  (a) 

(b) 0.3

1

w2,1/h

w1,1/h

0.5

0

0

-0.5

-1 2940

2960

2980

-0.3 2940

3000

Time (dimensionless seconds)

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

(c) 

(d) 0.03

w4,1/h

w3,1/h

0.04

0

-0.04 2940

2960

2980

0

-0.03 2940

3000

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

Time (dimensionless seconds)

(e) 

(f) 0.2

0.5

(dw2,1/dt)/hω1,1

(dw1,1/dt)/hω1,1

0.1

0

0

-0.1 -0.5

-0.5

0

w1,1/h

0.5

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

w2,1/h

     

25   

(g) 

(h) 0.02

0.04

(dw4,1/dt)/hω1,1

(dw3,1/dt)/hω1,1

0.02

0

0

-0.02

-0.04

-0.01

0

0.01

-0.02

-0.01

w3,1/h

0

0.01

0.02

w4,1/h

(i) 

(j) 1

0.15

(dw2,1/dt)/hω1,1

(dw1,1/dt)/hω1,1

0.5

0

-0.5

-1 -1

-0.5

0

0.5

0

1

w1,1/h

0

0.02

0.04

0.06

w2,1/h

(k) 

(l)

0.01

(dw4,1/dt)/hω1,1

(dw3,1/dt)/hω1,1

0.02

0 -0.006

-0.004

-0.002

w3,1/h

0

0

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

w4,1/h   Fig.3. Periodic oscillation for the system of Fig.2 at f1=2.0134 (ω1,1=  140.3774 rad/s): (a‐d) time  traces of the the generalized coordinates w1,1, w2,1, w3,1, and w4,1, respectively; (e‐h) phase‐plane  portraits of the the generalized coordinates w1,1, w2,1,  w3,1,  and w4,1, respectively; (i‐l) Poincaré  sections of the the generalized coordinates w1,1, w2,1, w3,1, and w4,1, respectively. 

26   

(a) 

(b) 1

0.5

w2,1/h

w1,1/h

0.5

0

0

-0.5

-1 2940

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

-0.5 2940

 

(c) 

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

(d) 0.5

w4,1/h

w3,1/h

0.2

0

0

-0.2

-0.5 2940

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

(e) 

2940

 

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

(f) 1 0.4

(dw2,1/dt)/hω1,1

(dw1,1/dt)/hω1,1

0.5

0

0

-0.5 -0.4

-1 -1

-0.2

-0.5

0

w1,1/h

0.5

1

0

w2,1/h

0.2

 

     

27   

(g) 

(h) 0.4

0.4

(dw4,1/dt)/hω1,1

(dw3,1/dt)/hω1,1

0.2

0

0

-0.2

-0.4

-0.4 -0.2

0

-0.2

0.2

0

0.2

w4,1/h

w3,1/h

(i) 

 

(j) 0.3

(dw1,1/dt)/hω1,1

(dw2,1/dt)/hω1,1

0

-0.4

-0.8

0

-0.2

0.6

0.8

-0.1

0

w1,1/h

(k) 

0.1

0.2

w2,1/h

1

 

(l) 0.2

(dw4,1/dt)/hω1,1

(dw3,1/dt)/hω1,1

0.3

0

0

-0.2

-0.3

-0.1

0

w3,1/h

-0.05

0

0.05

0.1

w4,1/h

  Fig.4. Quasiperiodic oscillation for the system of Fig.2 at f1=4.2685 (ω1,1=  140.3774 rad/s): (a‐d)  time traces of the the generalized coordinates w1,1, w2,1,  w3,1, and w4,1, respectively; (e‐h) phase‐ plane  portraits  of  the  the  generalized  coordinates  w1,1,  w2,1,  w3,1,  and  w4,1,  respectively;  (i‐l)  Poincaré sections of the the generalized coordinates w1,1, w2,1, w3,1, and w4,1, respectively. 

28   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

Fig.5. Bifurcation diagrams of Poincaré points for increasing forcing amplitude on the system with  cv=10.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.               

29   

(a) 

(b) 0.5

w2,1/h

w1,1/h

1

0

0

-1

2940

2960

2980

-0.5 2940

3000

(c) 

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

Time (dimensionless seconds)

(d) 0.2

w4,1/h

w3,1/h

0.2

0

0

-0.2

-0.2

2940

2960

2980

2940

3000

(e) 

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

Time (dimensionless seconds)

(f) 1

(dw2,1/dt)/hω1,1

(dw1,1/dt)/hω1,1

1

0

0

-1

-1

-1

0

w1,1/h

 

1

-0.4

0

w2,1/h

0.4

 

     

30   

(g) 

(h) 0.4

(dw4,1/dt)/hω1,1

(dw3,1/dt)/hω1,1

0.5

0

0

-0.5

-0.4 -0.1

0

-0.1

0.1

0

0.1

w4,1/h

w3,1/h

(i) 

(j)

-0.4

(dw1,1/dt)/hω1,1

(dw2,1/dt)/hω1,1

0.8

-0.6

0.6

1

1.04

1.08

1.12

0.22

w1,1/h

0.24

0.26

0.28

w2,1/h

(k) 

(l) 0.4

(dw4,1/dt)/hω1,1

(dw3,1/dt)/hω1,1

-0.1

0.3

-0.2

0.2

-0.3

0.04

0.06

w3,1/h

0.08

0.08

0.1

0.12

0.14

w4,1/h   Fig.6.  Quasiperiodic  oscillation  for  the  system  of  Fig.5  at  f1=12.000  (ω1,1=  99.6403  rad/s):  (a‐d)  time traces of the the generalized coordinates w1,1, w2,1,  w3,1, and w4,1, respectively; (e‐h) phase‐ plane  portraits  of  the  the  generalized  coordinates  w1,1,  w2,1,  w3,1,  and  w4,1,  respectively;  (i‐l)  Poincaré sections of the the generalized coordinates w1,1, w2,1, w3,1, and w4,1, respectively. 

31   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

 

Fig.7. Bifurcation diagrams of Poincaré points for increasing forcing amplitude on the system with  cv=13.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.                

32   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

Fig.8. Bifurcation diagrams of Poincaré points for increasing forcing amplitude on the system with  cv=15.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.                

33   

(a) 

(b) 0.5

w2,1/h

w1,1/h

1

0

0

-1

2940

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

-0.5 2940

 

(c) 

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

(d) 0.5

w4,1/h

w3,1/h

0.3

0

0

-0.3 -0.5 2940

2960

2980

2940

3000

2960

2980

3000

Time (dimensionless seconds)

Time (dimensionless seconds)

(e) 

(f) 4

3

(dw2,1/dt)/hω1,1

(dw1,1/dt)/hω1,1

2

0

-2

0

-3 -4 -1

-0.5

0

w1,1/h

0.5

1

-0.5

0

0.5

w2,1/h

     

34   

(g) 

(h)

3

(dw4,1/dt)/hω1,1

(dw3,1/dt)/hω1,1

3

0

0

-3

-3

-0.4

0

0.4

-0.4

-0.2

w3,1/h

0

0.2

0.4

w4,1/h

(i) 

(j) 6 4

2

(dw2,1/dt)/hω1,1

(dw1,1/dt)/hω1,1

3

0

0

-2

-4

-3 -6 -0.5

0

0.5

1

0

1.5

0.5

w2,1/h

w1,1/h

(k) 

 

(l) 6

3

(dw4,1/dt)/hω1,1

(dw3,1/dt)/hω1,1

3

0

0

-3

-3 -6

-0.6

-0.4

-0.2

0

w3,1/h

0.2

0.4

-0.4

0

0.4

w4,1/h

Fig.9.  Chaotic  oscillation  for  the  system  of  Fig.8  at  f1=11.1946  (ω1,1=  29.9911  rad/s):  (a‐d)  time  traces of the the generalized coordinates w1,1, w2,1, w3,1, and w4,1, respectively; (e‐h) phase‐plane  portraits of the the generalized coordinates w1,1, w2,1,  w3,1,  and w4,1, respectively; (i‐l) Poincaré  sections of the the generalized coordinates w1,1, w2,1, w3,1, and w4,1, respectively. 

35   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

Fig.10.  Bifurcation  diagrams  of  Poincaré  points  for  increasing  forcing  amplitude  on  the  system  with cv=28.0000; (a) the generalized coordinate w1,1; (b) the generalized coordinate w2,1; (c) the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.                 

36   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

Fig.11.  Bifurcation  diagrams  of  Poincaré  points  for  increasing  axial  speed  of  the  system  with  f1=1.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.                

37   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

Fig.12.  Bifurcation  diagrams  of  Poincaré  points  for  increasing  axial  speed  of  the  system  with  f1=2.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.                

38   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

Fig.13.  Bifurcation  diagrams  of  Poincaré  points  for  increasing  axial  speed  of  the  system  with  f1=3.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.                

39   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

 

Fig.14.  Bifurcation  diagrams  of  Poincaré  points  for  increasing  axial  speed  of  the  system  with  f1=4.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.                

40   

  (a) 

(b)

0.3

w2,1/h

w1,1/h

0.1

0

0

-0.3

-0.1

3550

3560

3570

3580

3590

3550

3600

3560

3570

3580

3590

3600

Time (dimensionless seconds)

Time (dimensionless seconds)

(c) 

 

(d) -0.9

w4,1/h

w3,1/h

0.2

0

-1

-0.2

-1.1 3550

3560

3570

3580

3590

3600

3550

Time (dimensionless seconds)

3560

3570

3580

3590

3600

Time (dimensionless seconds)

(e) 

(f) 0.1

(dw2,1/dt)/hω

(dw1,1/dt)/hω

0.2

0

0

-0.1

-0.2

-0.2

-0.05

0

w1,1/h

0.05

0.1

-0.4

 

-0.2

0

0.2

w2,1/h

 

41   

(g) 

(h) 0.2

(dw4,1/dt)/hω

(dw3,1/dt)/hω

0.1

0

0

-0.2

-0.1

-0.2

0

0.2

-1.05

w3,1/h

-1

-0.95

w4,1/h

 

(i) 

(j) 0.2

(dw2,1/dt)/hω

(dw1,1/dt)/hω

0.1

0

-0.1

0

-0.1

-0.2

0

0.1

0.2

0.3

w1,1/h

-0.06

-0.04

-0.02

(k) 

0

0.02

0.04

w2,1/h

  (l)

(dw4,1/dt)/hω

(dw3,1/dt)/hω

0.1 0

-0.02

1.1

0

1.2

1.3

w3,1/h

1.4

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

w4,1/h

Fig.15.  Period‐2  oscillation  for  the  system  of  Fig.14  at  cv=30.0000:  (a‐d)  time  traces  of  the  the  generalized coordinates w1,1, w2,1,  w3,1,  and w4,1, respectively; (e‐h) phase‐plane portraits of the  the  generalized  coordinates  w1,1,  w2,1,  w3,1,  and  w4,1,  respectively;  (i‐l)  Poincaré  sections  of  the  the generalized coordinates w1,1, w2,1, w3,1, and w4,1, respectively. 

42   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

Fig.16.  Bifurcation  diagrams  of  Poincaré  points  for  increasing  axial  speed  of  the  system  with  f1=6.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.                

43   

(a) 

(b)

(c) 

(d)

 

Fig.17.  Bifurcation  diagrams  of  Poincaré  points  for  increasing  axial  speed  of  the  system  with  f1=8.0000;  (a)  the  generalized  coordinate  w1,1;  (b)  the  generalized  coordinate  w2,1;  (c)  the  generalized coordinate w3,1; (d) the generalized coordinate w4,1.    

 

44   

Highlights:  ‐ ‐ ‐ ‐

The three‐dimensional nonlinear global dynamics of axially moving plates  is investigated numerically.  The governing equations of motion are obtained by means of Lagrange  equations.  These equations are solved via direct time integration by means of Gear’s  backward‐differentiation‐formula (BDF).  Bifurcation diagrams of Poincaré maps are constructed. 

   

45