Nonlinear behavior in fluid-structure interaction (FSI) of bridge decks becomes increasingly significant for modern bridges with increasing spans, larger flexibility and new aerodynamic deck configurations. Better understanding of the nonlinear aeroelasticity of bridge decks and further development of reduced-order nonlinear models for the aeroelastic forces become necessary. In this paper, the amplitude-dependent and neutral angle dependent nonlinearities of the motion-induced loads are further highlighted by series of computational fluid dynamics (CFD) simulations. An effort has been made to investigate a semi-analytical time-domain model of the nonlinear motion induced loads on the deck, which enables nonlinear time domain simulations of the aeroelastic responses of the bridge deck. First, the computational schemes used here are validated through theoretically well-known cases. Then, static aerodynamic coefficients of the Great Belt East Bridge (GBEB) cross section are evaluated at various angles of attack, leading to the so-called nonlinear backbone curves. Flutter derivatives of the bridge are identified by CFD simulations using forced harmonic motion of the cross-section with various frequencies. By varying the amplitude of the forced motion, it is observed that the identified flutter derivatives are amplitude-dependent, especially for $A^*_2$ and $H^*_2$ parameters. Another nonlinear feature is observed from the change of hysteresis loop (between angle of attack and lift/moment) when the neutral angles of the cross-section are changed. Based on the CFD results, a semi-analytical time-domain model for describing the nonlinear motion-induced loads is proposed and calibrated. This model is based on accounting for the delay effect with respect to the nonlinear backbone curve and is established in the state-space form. Reasonable agreement between the results from the semi-analytical model and CFD demonstrates the potential application of the proposed model for nonlinear aeroelastic analysis of bridge decks.
The effects of a class of nonlinear Tuned Mass Dampers on the aeroelastic behavior of SDOF systems are investigated. Unlike classical linear TMDs, nonlinear constitutive laws of the internal damping acting between the primary oscillator and the TMD are considered, while the elastic properties are keept linear. The perturbative Multiple Scale Method is applied to derive a set of bifurcation equations in the amplitude and phase and a parametric analysis is performed to describe the postcritical scenario of the system. Both cubic- and van der Pol-type dampings are considered and the dependence of the limit-cycle amplitudes on the system parameters is studied. These new results, compared with the previously obtained bifurcation scenario of a SDOF aeroelastic oscillator equipped with a linear TMD, show a detrimental effect on the maximum limit-cycle amplitude reduction of the nonlinear TMD. However, the analyses evidence that in the parameter region away from the perfect tuning condition the nonlinear connection can be used to tune the system with an enhancement of the limit-cycle amplitude reduction.
The Maanshan Bridge over Yangtze River in China is a new long-span suspension bridge with double main spans of $2{\times}1080m$ and a closed streamline cross-section of single box deck. The flutter and buffeting performances were investigated via wind tunnel tests of a full bridge aeroelastic model at a geometric scale of 1:211. The tests were conducted in both smooth wind and simulated boundary layer wind fields. Emphasis is placed on studying the interference effect of adjacent span via installing a wind deflector and a wind separating board to shelter one span of the bridge model from incoming flow. Issues related to effects of mid-tower stiffness and deck supporting conditions are also discussed. The testing results show that flutter critical wind velocities in smooth flow, with a wind deflector, are remarkably lower than those without. In turbulent wind, torsional and vertical standard deviations for the deck responses at midspan in testing cases without wind deflector are generally less than those at the midspan exposed to wind in testing cases with wind deflector, respectively. When double main spans are exposed to turbulent wind, the existence of either span is a mass damper to the other. Furthermore, both effects of mid-tower stiffness and deck supporting conditions at the middle tower on the flutter and buffeting performances of the Maanshan Bridge are unremarkable.
Kim, Yo-Han;Kim, Dong-Hyun;Hwang, Mi-Hyun;Kim, Kyung-Hee;Hwang, Byung-Sun;Hong, Un-Sung
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.14
no.3
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pp.39-44
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2011
In this study, performance analyses have been conducted for a 5MW class wind turbine blade model. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics(CFD) and computational structural dynamics(CSD) has been developed in order to investigate detailed dynamic responsed of wind turbine blade. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with K-${\epsilon}$ turbulence model are solved for unsteady flow problems of the rotating turbine blade model. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3D turbine blade for fluid-structure interaction (FSI) problems. Predicted aerodynamic performance considering structural deformation effect of the blade show different results compared to the case of rigid blade model.
The flow interaction between two identical neighboring twin square prisms in a staggered arrangement in an open terrain was investigated experimentally. The downwind prism was mounted on a rigid-aeroelastic setup in an open-terrain boundary layer flow to measure its acrosswind root-mean-square responses and aerodynamic damping ratios. By varying the relative location of the upwind prism and the Scruton number associated with the downwind prism, the acrosswind aeroelastic behavior of the downwind prism was analyzed and compared to that of an isolated one. Results showed that the acrosswind root-mean-square response of the downwind prism could be either suppressed or enhanced by the wake flow produced by the neighboring upwind prism. Besides the assessment of the wake effect of the downwind prism, finally, regressed relationships were presented to describe the variation of the aerodynamic damping ratio so as to predict its acrosswind fluctuating response numerically.
Hua, Xu G.;Chen, Zheng Q.;Lei, Xu;Wen, Qin;Niu, Hua W.
Smart Structures and Systems
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v.23
no.6
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pp.683-693
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2019
In August 2012, during the passage of the typhoon Haikui (1211), large amplitude vibrations were observed on long hangers of the Xihoumen suspension Bridge, which destroyed a few viscoelastic dampers originally installed to connect a pair of hanger ropes transversely. The purpose of this study is to identify the cause of vibration and to develop countermeasures against vibration. Field measurements have been conducted in order to correlate the wind and vibration characteristics of hangers. Furthermore, a replica aeroelastic model of prototype hangers consisting of four parallel ropes was used to study the aeroelastic behavior of hanger ropes and to examine the effect of the rigid spacers on vibration mitigation. It is shown that the downstream hanger rope experiences the most violent elliptical vibration for certain wind direction, and the vibration is mainly attributed to wake interference of parallel hanger ropes. Based on wind tunnel tests and field validation, it is confirmed that four rigid spacers placed vertically at equal intervals are sufficient to suppress the wake-induced vibrations. Since the deployment of spacers on hangers, server hanger vibrations and clash of hanger ropes are never observed.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.36
no.1
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pp.72-78
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2008
In this study, advanced (fluid-structure interaction (FSI)) analysis system has been developed in order to predict turbine cascade performance with blade deformation effect due to aerodynamic loads. Intereference effects due to the relative movement of the rotor cascade with respect to the stator cascade are also considered. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with one equation Spalart-Allmaras and two-equation k-ω SST turbulence models are solved to accurately predict fluid dynamic loads considering flow separation effects. A fully implicit time marching scheme based on the (coupled Newmark time-integration method) with high artificial damping is efficiently used to compute the complex fluid-structure interaction problem. Predicted aerodynamic performance considering structural deformation effect of the blade shows somewhat different results compared to the case of rigid blade model. Cascade performance evaluations for different elastic axis positions are importantly presented and its aeroelastic effects are investigated.
This study focuses on the limit cycle oscillations (LCOs) of cantilever swept-back wings containing a cubic nonlinearity in an incompressible flow. The governing aeroelastic equations of two degrees-of-freedom swept wings are derived through applying the strip theory and unsteady aerodynamics. In order to apply strip theory, mode shapes of the cantilever beam are used. The harmonic balance method is used to calculate the frequencies of LCOs. Linear flutter analysis is conducted for several values of sweep angles to obtain the flutter boundaries.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.7
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pp.731-738
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2012
In this study, the evaluation of the aerodynamic characteristics of the NREL Phase VI Rotor System has been performed, for the 7 m/s upwind case using commercial FEA and CFD tools which are ANSYS Mechanical 12.1 and CFX 12.1. The initial operating conditions of the rotor blade include a $3^{\circ}$ tip pitch angle. A numerical simulation was carried out on only the rotor parts, excluding the tower structure based on the equivalent stiffness model, to consider the aeroelastic effect for the numerical simulation using the loosely coupled 2-way fluid-structure interaction method. The blade root bending moment was monitored in real time to obtain reasonable results. To verify the analysis results, the numerical simulation results were compared with the measurements in the form of the root bending moment and the pressure distributions of the NREL/NASA Ames wind tunnel test.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.6
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pp.92-100
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2002
In this study, transonic/supersonic nonlinear flutter analysis system of a complete aircraft including forced harmonic motion pf control surfaces has been effectively developed using the modified transonic small disturbance (TSD) equation. To consider the nonlinear effects, the coupled time marching method (CTM) combining computational structural dynamics (CFD) has been directly applied for aeroelastic computations. The grid system for a complex full aircraft configuration is effectively generated by the developed inhouse code. Intransonic and supersonic flight regimes, the characteristics of static and dynamic aeroelastic effect has been investigated for a complete aircraft model. Also, nonlinear flutter flight simulations for the forced harmonic motion of control surfaces are practically presented in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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