Inverse problem for a vibrating beam

Summary The problem of inferring the flexural rigidity and density of a beam from its eigenfrequencies is considered for the particular case in which one end is clamped. It is shown that three spectra associated with three sets of boundary conditions at the other end are required in order to insure a unique solution of the inverse problem. Furthermore, it is shown that this data set is equivalent to the information contained in the time history of the displacement and slope of the free end of the beam set in motion by a concentrated impulse.

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Résumé Cet article traite le problème relatif à la déduction des caractéristiques d'une barre à partir de ses fréquences propres. Bien que nos résultats soient généraux, nous considererons seulement le cas où la barre est encastrée à une extrémité. Nous montrerons que trois spèctres associés à trois types de conditions aux limites pour la seconde extrémité sont nécéssaires pour garantir l'unicité de la solution du problème inverse. De plus, nous montrerons que ces trois spèctres sont équivalents à l'information contenue dans les fonctions représentant le déplacement et la pente de l'extrémité libre de la barre mise en mouvement par un choc donné à cette extrémité.

     

Hyperspherical caps in generalised axially symmetric potential theory (I)

Résumé Le problème du potentiel généralisé axisymétrique d'un secteur d'une sphère àn dimensions est formulé comme une équation intégrale. Cette équation est résolue par deux applications de la solution d'une équation d'Abel. La capacité du secteur est déduite et les résultats sont appliqués au problème de la torsion d'une tige qui contient une fente ayant la forme d'un secteur d'une sphère et située symétriquement.     

Some general principles of dynamic instability of solid bodies

Résumé Ce travail représente une étude de l'équilibre des corps solides, avec un intérêt special accordé aux corps élastiques et à ceux de Voigt-Kelvin. Les efforts appliqués peuvent avoir des composants non conservatifs et gyroscopiques, quoique la dépendance explicite du temps soit exclue. Il est bien connu que, pour une catégorie de problèmes tellement large, l'établissement des conditions de la stabilité par les méthodes classiques de statique ou d'énergie n'est pas toujours applicable.Le traitement du problème essaie d'être assez compréhensif. En utilisant la méthode des vibrations modales on établie des critères généraux de stabilité sur la base d'une «énergie équivalente». Ces critères sont d'une telle généralité qu'ils contiennent, comme cas spéciaux, les critères publiés auparavant. En plus, de nouveaux principes ont été développés et démontrés à l'aide d'un exemple numérique.

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This work was supported by the National Science Foundation through Grant GK-368 to the University of Illinois at Chicago Circle.     

On free boundary problems with arbitrary initial and flux conditions

The paper is concerned with the free boundary problem of a semi-infinite body with an arbitrarily prescribed initial condition and an arbitrarily prescribed flux at its face. An analytically exact solution to the problem is found and established, which is expressed in terms of some functions and polynomials of the error integral family and timet. Convergence of the series solution is considered and proved. For illustration, the solution is applied to a special problem, which is discussed in detail. Some remarks about the solution are also included.

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Résumé Cet article traite du problème à limites variables pour un corps semi-infini, les conditions initiales et un flux arbitraire sur la face étant donnés. On obtient une solution analytique exacte de ce problème. Elle est formulée à l'aide de fonctions et de polynomes de la famille des intégrales d'erreur et en fonction du tempst. La convergence des séries apparaissant dans la solution est étudiée et vérifiée. Comme illustration, les résultats sont appliqués à un problème particulier qui est étudié en détail. Quelques remarques complètent le travail.

     

Sur l'intégration des équations différentielles holomorphes réduites en dimension deux

Resumé Le problème auquel on s'intéresse consiste à détecter parmi les formes réduites à l'origine deC ² celles qui possèdent des intégrales premières liouvilliennes ou appartenant à la classe de Nilsson. Pour cela, on étudie l'espace des modules associé à une telle forme.     

On locking materials

This work is devoted to the study of variational problems encountered in the theory of locking materials introduced by Prager. In a first step, we are interested in the dual principles governing the equilibrium state of an elastic-locking material. We establish the inf-sup equality by means of a penalty method. In a second step, we introduce and discuss the locking limit analysis problem. This problem allows one to determine which displacements can be imposed on a locking body before complete locking. We show the equivalence of the statical and the kinematical methods. Two appendices close the paper. The first one focuses the attention on stress concentrations in a problem of torsion, and the second is devoted to materials with limited compressibility which lead to simpler mathematical problems.

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Résumé Ce travail est consacré à l'étude des problèmes variationnels posés par les matériaux à blocage introduits par Prager. Dans un premier temps nous nous intéressons aux principes duaux qui gouvernent l'équilibre d'un milieu élastique à blocage. Nous établissons l'égalité Inf-Sup par une méthode de pénalisation. Dans un deuxième temps nous introduisons et discutons l'analyse limite de blocage qui permet de déterminer les déplacements susceptibles d'être imposés au corps avant son blocage complet. On montre que les approches statiques et cinématiques conduisent à la même valeur de la charge limite de blocage. Le travail se termine par deux annexes: l'une met l'accent sur la possibilité de concentration de contraintes (qui sont alors des mesures) dans un problème de torsion; l'autre étudie les matériaux à compressibilité limitée pour lesquels les problèmes mathémqtiques se simplifient notablement.

     

On the mixed boundary-value problem for harmonic functions in plane domains

This paper considers the problem of the determination of a harmonic function in a simply connected plane domain when the values of the function are known on some arcs of the boundary and the values of the normal derivative are known on the remaining boundary. We first present the solution in theoretical form and then show how to compute the solution with the aid of rapidly convergent series. The coefficients of these series are Fourier coefficients of certain functions and can be estimated by using the Fast Fourier Transform. The examples considered in the last part of the paper emphasize the advantages of the method presented in this paper for solving the mixed boundary-value problem as compared to other methods used for this purpose.

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Résumé On considère le problème suivant: trouver une fonction harmonique dans un domaine simplement connexeDR ² dont la frontièreS est assez régulière, en connaissant les valeurs de la fonction sur une partieS ₁ de la frontière et les valeurs de la dérivée normale sur la complémentaire de366-1. La première partie présente des résultats théoriques liés à ce probléme. La deuxième partie s'appuie sur une représentation de la solution à l'aide de certaines séries de fonctions rapidement convergentes. Les coefficients des séries utilisées sont même les coefficients de Fourier de certaines fonctions, et leur calcul peut être effectué en utilisant la transformation de Fourier rapide (Fast Fourier Transform). Les exemples considérés dans la dernière partie de l'article mettent en évidence les avantages de la méthode présentée par rapport à d'autres méthodes employées pour la résolution du problème mixte.

     

Homogenization of elliptic eigenvalue problems: Part 1

The aim of this paper is to study the homogenization of elliptic eigenvalue problems, with a second order homogeneous Dirichlet problem as an example. The main homogenization theorem states that the same operator which serves to homogenize the corresponding static problem works for the eigenvalue problem as well and that the structure of eigenvalues and eigenvectors is in some sense preserved. Formulae for first and second order correctors for eigenvalues are proposed and error estimates are obtained. These results are applied to the case of coefficients with a periodic structure and a simple numerical example is presented. Extensions to other types of boundary conditions and to higher order equations are indicated.

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Resume Le but de cet article est d'étudier l'homogénéisation du problème de valeurs propres pour des opérateurs elliptiques. On prend comme exemple un problème de second-ordre avec des conditions de Dirichlet homogènes au bord. Le Thèoréme principal d'homogénéisation dit que le même opérateur qui homogénéise le problème stationnaire correspondant sert également à homogénéiser ce problème de valeurs propres et que la structure des valeurs et vecteurs propres est, grosso modo, préservée. On propose des formules pour calculer les correcteurs de premier et second ordre pour les valeurs propres et on obtient des estimations d'erreur. Ces résultats sont appliqués à un cas particulier où les coefficients sont périodiques et des résultats numériques sont présentés. On indique des extensions possibles du point de vue conditions aux limites, et des problèmes de quatrième ordre.

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Part 2 of Dr. Kesavan's article will appear inAppl. Math. Opt. 5, Number 3.     

Homogenization of elliptic eigenvalue problems: Part 2

The aim of this paper is to study the homogenization of elliptic eigenvalue problems, with a second order homogeneous Dirichlet problem as an example. The main homogenization theorem states that the same operator which serves to homogenize the corresponding static problem works for the eigenvalue problem as well and that the structure of eigenvalues and eigenvectors is in some sense preserved. Formulae for first and second order correctors for eigenvalues are proposed and error estimates are obtained. These results are applied to the case of coefficients with a periodic structure and a simple numerical example is presented. Extensions to other types of boundary conditions and to higher order equations are indicated.

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Resume Le but de cet article est d'étudier l'homogénéisation du problème de valeurs propres pour des opérateurs elliptiques. On prend comme exemple un problème de second-ordre avec des conditions de Dirichlet homogènes au bord. Le Théorème principal d'homogénéisation dit que le même opérateur qui homogénéise le problème stationnaire correspondant sert également à homogénéiser ce problème de valeurs propres et que la structure des valeurs et vecteurs propres est, grosso modo, préservée. On propose des formules pour calculer les correcteurs de premier et second ordre pour les valeurs propres et on obtient des estimations d'erreur. Ces résultats sont appliqués à un cas particulier où les coefficients sònt périodiques et des résultats numériques sont présentés. On indique des extensions possibles du point de vue conditions aux limites, et des problèmes de quatrième ordre.

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Part 1 of Dr. Kesavan's article appeared in Appl. Math. Optim. 5, Number 2.     

Numerical study of the controlled Van der Pol oscillator in Chebyshev series

Summary The optimal control of the Van der Pol oscillator is investigated by a numerical method based on the expansion of the state function and the control strategy in Chebyshev series. The optimal control problem is reduced to a parameter optimization problem.

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Resumé On étudie le contrôle optimal de l'oscillateur de Van der Pol à l'aide d'une méthode numérique qui utilise le développement des fonctions de position et de contrôle en série de Chebyshev. Le problème de contrôle optimal est réduit à un problème d'optimisation de paramètres.

     

Numerical integration of an orbit and its concomitant variations by recurrent power series

Résumé Lorsqu'il s'agit de calculer tout en une fois une orbite et la résolvante de ses équations aux variations dans le problème restreint des trois corps, l'intégration par séries de puissances récurrentes s'avère nettement plus avantageuse que d'autres procédés numériques. A précision égale, les développements en séries ne prennent que 30% du temps mis par les méthodes à pas multiples, et seulement 12 à 15% du temps employé par la méthode deRunge-Kutta-Nystrom.     

Integral transforms for shock-shock interaction — Three dimensional planar wings

Résumé Si une onde de choc de force arbitraire rencontre une aile pointue aplatie qui se déplace à une vitesse supersonique, une région de perturbations est générée. Une expression analytique explicite en termes de perturbations de pression est trouvée par l'application de transformations d'intégrales au problème des conditions initiales-limites. La théorie est appliquée au problème de l'interaction d'une onde de choc plane et d'une aile delta plane (avec des bords d'attaque définiment supersoniques) en petite incidence. Les résultats numériques pour la répartition des pressions sont présentés.     

On principle of stationary mutual complementary energy and its application to optimal structural design

Résumé Un principe d'énergie mutuelle, complémentaire et stationnaire est établi pour une poutre élastique sous l'influence de deux systèmes de charge. Grâce à ce principe d'énergie stationnaire, la condition nécessarire et suffisante pour une optimisation locale peut être dérivée pour les problèmes de construction de poutres statiquement indéterminées avec une flèche minimale, le poids total et les contraintes étant prescrits. La condition d'optimisation ainsi dérivée est appliquée au problème de flèche centrale minimale pour une poutre sandwich encastrée aux deux extrémités et soumise à l'action d'une charge uniformément répartie.

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This research was supported by the University of Notre Dame.     

A new look at the brachistochrone problem

Summary The classic brachistochrone problem is solved as an optimal control problem in conjunction with the use of Chebyshev series.

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Résumé Le problème classique du brachistochrone est résolu comme un problème de contrôle optimale à l'aide des séries de Chebyshev.

     

On existence and uniqueness in incremental thermoelasticity

Summary Existence and uniqueness of solutions to the evolution equations which govern small thermoelastic deformations superposed on a general non-linear thermomechanical deformation is investigated. The problem is solved by means of the semigroup theory applied to the abstract temporally inhomogeneous equation arising in this case.

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Résumé On étudie l'existence et l'unicité des solutions des équations qui gouvernent les petites déformations thermoélastiques superposés à un procés thermomécanique non linéaire général. Le problème est résolu à l'aide de la théorie des semigroupes apliquée à l'équation abstraite non homogène.

     

Flow in an occluded circular cylindrical tube with permeable wall

Résumé L'éoulement d'un liquide dans un tube à paroi perméable se rencontre dans plusieurs problèmes d'ingénieur, tels que la purification de l'eau, l'osmose inverse, l'écoulement dans un milieu proeux, etc. Cet exposé traite un problème physiologique, à savoir, l'écoulement du sang dans les plus petits vaisseaux sanguins, les «capillaires».L'expérience de «micro-occlusion» de Landis (1927) était un pas important dans le problème du transport fluidique à travers un vaisseau sanguin. Récemment, Zweifach et Intaglietta (1966, 1968) ont obtenu des données importantes grâce à une expérience perfectionnée du type de celle de Landis. L'interprétation de ces expériences se fonde sur l'hypothèse de Starling de l'interaction des pressions osmotique et hydrostatique. Dans cet ouvrage, on étudie un modèle simplifié du transport fluidique à travers la paroi d'un vaisseau sanguin capillaire. On donne une méthode analytique pour étudier l'appliation de l'hypothèse de Starling au mouvement d'un fluide visquex dans un tube circulaire occlu. On suppose que les pressions hydrostatique et osmotique de l'espace extérieur entourant le tube aient les mêmes valeurs d'équilibre avant et après l'occlusion, de sorte que l'écoulement de masse à travers la paroi du tube, conformément à l'hypothèse de Starling, est simplement proportionnel au changement de la pression hydrostatique à travers le paroi. La solution démontre que, quand la constante de perméabilité dépasse une certaine valeur, l'éoulement axial amont détermine le mouvement fluidique; et que l'écoulement à travers la paroi du tube est plus ou moins indépendant de la perméabilité de la paroi. Quand la constante de perméabilité est petite, l'écoulement à travers la paroi est proportionnel à la perméabilité.L'hypothèse de Starling étant applicable à la dialysation des membranes, la présente démonstration a d'autres domaines d'application pour l'ingénieur. Cette méthode d'analyse peut être appliquée pour résoudre un type général du problème de valeur de limite associée à l'équation de Stokes dans laquelle deux conditions indépendantes sont données pour la surface et l'une des extrémités de la région cylindrique circulaire.     

On the eigenvalue problem for fluid sloshing in a half-space

Summary The boundary-value problem for free oscillations of a liquid in a half-space, which is bounded above by a rigid plane that contains a circular aperture, is transformed to a homogeneous, Fredholm integral equation for the velocity distribution in the aperture. Rayleigh-Ritz approximations to the eigenvalues are obtained by expanding the velocity distribution in appropriately weighted Jacobi polynomials. Numerical results demonstrate that the convergence of the approximations is much stronger than that of the approximations developed by Henrici, Troesch and Wuytack; for example, retaining twelve terms in the Rayleigh-Ritz expansion yields the dominant eigenvalue within one part in 10^–8. A corresponding development is given for the two-dimensional problem, in which the aperture is an infinite strip.

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Résumé Le problème aux conditions limites pour les oscillations libres d'un liquide dans l'espace semi-infini sous un plan rigide contenant une ouverture circulaire est transformé en une équation intégrale homogène de Fredholm pour la distribution de vitesse dans l'ouverture. On obtient des approximations de Rayleigh-Ritz pour les valeurs propres en développant le champ de vitesse en série pondérée de polynômes de Jacobi. Les résultats numériques démontrent que la convergence des approximations est bien plus rapide que celle des approximations développées par Henrici, Troesch and Wuytack; par exemple, en retenant douze termes dans le développement de Rayleigh-Ritz on obtient la valeur propre dominante avec une erreur relative moindre que 10^–8. Un développement correspondant est donné pour le problème bidimensionnel, pour lequel l'ouverture est une bande infinie.

     

A short proof of the Pi theorem of dimensional analysis

It is shown that the proof of the Pi Theorem may be considerably shortened by taking logarithms of all physical quantities involved. This makes changes of units correspond to translations, and reduces the proof to a simple problem in linear algebra.

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Résumé On montre que l'on peut considérablement simplifier la démonstration du théorème de Vaschy-Buckingham en calculant le logarithme de toutes les quantités physiques du problème. Les changements d'unités correspondent alors à des translations, ce qui permet de ramener la démonstration à un simple problème d'algèbre linéaire.

     

A solution to boundary value problems with over-specified boundary conditions

Summary The problem of determining the unknown terms of a differential equation from over-specified boundary conditions is solved by means of the potential theory. The boundary values of compatibility functions adapting the differential equations to the prescribed boundary conditions are introduced as explicit unknowns in the system of linear equations. Two applications to fluid mechanics are presented, which demonstrate the efficiency of the method.

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Résumé Le problème de déterminer les termes inconnus d'une équation différentielle, à partir de conditions aux limites surdéterminées, est résolu au moyen de la théorie des potentiels. Les valeurs aux limites de fonctions de compatibilité adaptant les équations différentielles aux conditions aux limites prescrites sont introduites, comme inconnues explicites, dans le système des équations intégrales linéaires. Deux applications à la mécanique des fluides sont présentées, qui démontrent l'efficacité de la méthode.

     

Reihenfolgeprobleme und Graphentheorie

Zusammenfassung Die Reihenfolgeprobleme, wie verschiedenartig sie auch sein mögen, enthalten immer die gleiche Grundaufgabe: den nach einem gegebenen Kriterium günstigsten Durchführungsweg zu finden für mehrere zu verrichtende Arbeiten, die untereinander durch Anordnungsbedingungen gebunden sind. Je nachdem, ob man die Aufsführungsdauer einer Arbeit durch Veränderungen im Personal-, Material- und Arbeitsmitteleinsatz variieren kann oder nicht und ob alle Anordnungsbedingungen festgelegt oder zum Teil unbekannt sind, kann man mehrere Problemtypen unterscheiden.Bei Problemen dieser Art kann man die Begriffe und Ergebnisse der Graphentheorie vorteilhaft anwenden, ganz besonders im einfachsten und häufigsten Fall, wo Dauer und Reihenfolge der Arbeiten festgelegt sind. Mit Hilfe einfacher Algorithmen errechnet man sehr schnell — mit oder ohne elektronische Rechenanlagen — die günstigste Lösung. Solche Probleme können auch in Form von linearen Programmen ausgedrückt und gelöst werden, nur würde die Kapazität der heutigen Rechenanlagen nur in den günstigsten Fällen ausreichen, und auch dann wären die Rechenzeiten viel zu lang.Umgekehrt kann man gewisse Typen linearer Programme, die an sich mit Reihenfolgeproblemen nichts zu tun haben, in Graphen transponieren und mit Hilfe einfacher Algorithmen schnell lösen.

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Résumé Les problèmes d'ordonnancement présentent des aspects très divers, mais ils concernent toujours la recherche de la réalisation optimum, par rapport à un critère donné bien entendu, d'un certain nombre de tâches liées entre elles par des contraintes qui sont exprimées pratiquement sous forme de relations d'ordre: antériorité, postériorité, simultanéité. Il est possible de faire une classification de ces problèmes à partir des caractéristiques de ces tâches et de ces relations d'ordre. La durée de réalisation d'une tâche donnée est en effet une constante ou une quantité variable selon que l'on peut ou non faire varier les effectifs des moyens mis en oeuvre pour réaliser cette tâche. De la même façon, les relations d'ordre peuvent être entièrement imposées ou une partie d'entre elles peut constituer une des inconnues du problème.L'utilisation des concepts et des résultats de la théorie des graphes pour de tels problèmes est toujours très intéressante. Cette utilisation est particulièrement remarquable dans le cas le plus simple, mais cependant fréquent, où la durée des tâches et les relations d'ordre sont fixées. Des algorithmes simples conduisent très rapidement à la solution optimum soit manuellement soit sur calculateur électronique. De tels problèmes peuvent être exprimés aussi sous la forme de programmes linéaires, mais l'ampleur de ces programmes conduirait à des temps de calcul très longs dans les cas favorables où les capacités des calculateurs actuels ne sont pas dépassées.De ce parallélisme entre certains types de programmes linéaires et leur transposition sous forme de graphes il résulte qu'inversement des programmes linéaires dont le support concret n'a rien à voir avec des problèmes d'ordonnancement peuvent être résolus très rapidement par les algorithmes précédents.

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Vortrag auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unternehmensforschung am 19. 10. 1962 in Bonn.

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Vorgel. v.:J. Nitsche