A numerically efficient superelement is proposed as a low degree of freedom model for dynamic analysis of rotating tapered beams. The element uses a combination of polynomials and trigonometric functions as shape functions in what is also called the Fourier-p approach. Only a single element is needed to obtain good modal frequency prediction with the analysis and assembly time being considerably less than for conventional elements. The superelement also allows an easy incorporation of polynomial variations of mass and stiffness properties typically used to model helicopter and wind turbine blades. Comparable results are obtained using one superelement with only 14 degrees of freedom compared to 50 conventional finite elements with cubic shape functions with a total of 100 degrees of freedom for a rotating cantilever beam. Excellent agreement is also shown with results from the published literature for uniform and tapered beams with cantilever and hinged boundary conditions. The element developed in this work can be used to model rotating beam substructures as a part of complete finite element model of helicopters and wind turbines.
This paper reports the structural health monitoring benchmark study results for the Canton Tower using Bayesian methods. In this study, output-only modal identification and finite element model updating are considered using a given set of structural acceleration measurements and the corresponding ambient conditions of 24 hours. In the first stage, the Bayesian spectral density approach is used for output-only modal identification with the acceleration time histories as the excitation to the tower is unknown. The modal parameters and the associated uncertainty can be estimated through Bayesian inference. Uncertainty quantification is important for determination of statistically significant change of the modal parameters and for weighting assignment in the subsequent stage of model updating. In the second stage, a Bayesian model updating approach is utilized to update the finite element model of the tower. The uncertain stiffness parameters can be obtained by minimizing an objective function that is a weighted sum of the square of the differences (residuals) between the identified modal parameters and the corresponding values of the model. The weightings distinguish the contribution of different residuals with different uncertain levels. They are obtained using the Bayesian spectral density approach in the first stage. Again, uncertainty of the stiffness parameters can be quantified with Bayesian inference. Finally, this Bayesian framework is applied to the 24-hour field measurements to investigate the variation of the modal and stiffness parameters under changing ambient conditions. Results show that the Bayesian framework successfully achieves the goal of the first task of this benchmark study.
In the field of dynamic measurement and structural damage identification, it is generally known that modal frequencies may be measured with higher accuracy than mode shapes. However, the number of natural frequencies within a measurable range is limited. Accessing additional forms of modal frequencies is thus desirable. The present study is concerned about the extraction of artificial boundary condition (ABC) frequencies from modal testing. The ABC frequencies correspond to the natural frequencies of the structure with a perturbed boundary condition, but they can be extracted from processing the frequency response functions (FRF) measured in a specific configuration from the structure in its existing state without the need of actually altering the physical support condition. This paper presents a comprehensive experimental investigation into the measurability of the ABC frequencies from physical experiments. It covers the testing procedure through modal testing, the data processing and data analysis requirements, and the FRF matrix operations leading to the extraction of the ABC frequencies. Specific sources of measurement errors and their effects on the accuracy of the extracted ABC frequencies are scrutinised. The extracted ABC frequencies are subsequently applied in the damage identification in beams by means of finite element model updating. Results demonstrate that it is possible to extract the first few ABC frequencies from the modal testing for a variety of artificial boundary conditions incorporating one or two virtual pin supports, and the inclusion of ABC frequencies enables the identification of structural damages without the need to involve the mode shape information.
Sevim, Baris;Bayraktar, Alemdar;Altunisik, Ahmet Can
Structural Engineering and Mechanics
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제37권6호
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pp.593-615
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2011
This study determines the water length effects on the modal behavior of a prototype arch dam using Operational and Analytical Modal Analyses. Achievement of this purpose involves construction of a prototype arch dam-reservoir-foundation model under laboratory conditions. In the model, reservoir length was taken to be as much as three times the dam height. To determine the experimental dynamic characteristics of the arch dam using Operational Modal Analysis, ambient vibration tests were implemented for empty reservoir and three different reservoir water lengths. In the ambient vibration tests, the dam was vibrated by natural excitations provided from small impact effects and the response signals were measured using sensitive accelerometers. Operational Modal Analysis software process signals collected from the ambient vibration tests, and Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification techniques estimated modal parameters of the dams. To validate the experimental results, 3D finite element model of the prototype arch dam was modeled by ANSYS software for empty reservoir and three different reservoir water lengths, and dynamic characteristics of each model were determined analytically. At the end of the study, experimentally and analytically identified dynamic characteristics compared to each other. Also, changes on the natural frequencies along to water length are plotted as graphs. Results suggest that reservoir water complicates the modal behavior of the arch dam significantly.
This paper presents a finite element method to analyze the free and forced vibration of a hard disk drive (HDD) considering the flexibility of a spinning disk-spindle with fluid dynamic bearings (FDBs), an actuator with pivot bearings, an air bearing between head-disk interface and the base with complicated geometry. Finite element equation of each component is consistently derived with the satisfaction of the geometric compatibility of the internal boundary between each component. The spinning disk, hub and FDBs are modeled by annular sector elements, beam elements and stiffness and damping elements, respectively. The actuator am, E-block, suspension and base plate are modeled by tetrahedral elements. The pivot bearing in the actuator and the air bearing between head-disk interfaces are modeled by the stiffness element with five degrees of freedom and the axial stiffness, respectively. A global matrix equation obtained by assembling the finite element equations of each substructure is transformed to a state-space matrix-vector equation, and both damped natural frequencies and modal damping ratios are calculated by solving the associated eigenvalue problem with the restarted Arnoldi iteration method. Modal and shock testing are performed to show that the proposed method well predicts the vibration characteristics of a HDD.
On the premise of ensuring that the static performance of the concrete spreader is met, the first-order natural frequency of the concrete spreader is increased, and the weight of the main beam is reduced. ANSYS is used as an analysis tool to perform modal analysis on the concrete spreader. The natural frequency, mode shape and modal test verification will be obtained to ensure the accuracy of finite element model analysis. Using the ANSYS designxplorer module, the size of the main beam is set, and the response surface model between the parameter variables and the optimization objective is established according to the experimental design points. Screening algorithm and MOGA algorithm are used to multi-optimize the stress, first-order natural frequency and girder weight, and the optimal solution is obtained by comparison. The results of modal analysis are consistent with those of the experiment, and a set of optimal solutions is obtained through the optimization algorithm. The optimal solution obtained can meet the purpose of increasing the first-order natural frequency of the concrete spreader and reducing the weight of the main beam under the premise of ensuring the overall dynamic and static performance of the concrete spreader.
This paper presents a method to analyze the unbalance response of a high speed polygon mirror scanner motor supported by sintered bearing and flexible supporting structures by using the finite element method and the mode superposition method. The appropriate finite element equations for polygon mirror are described by rotating annular sector element using Kirchhoff plate theory and von Karman non-linear strain, and its rigid body motion is also considered. The rotating components except for the polygon mirror are modeled by Timoshenko beam element including the gyroscopic effect. The flexible supporting structures are modeled by using a 4-node tetrahedron element and 4-node shell element with rotational degrees of freedom. Finite element equations of each component of the polygon mirror scanner motor and the flexible supporting structures are consistently derived by satisfying the geometric compatibility in the internal boundary between each component. The rigid link constraints are also imposed at the interface area between sleeve and sintered bearing to describe the physical motion at this interface. A global matrix equation obtained by assembling the finite element equations of each substructure is transformed to a state-space matrix-vector equation, and both damped natural frequencies and modal damping ratios are calculated by solving the associated eigenvalue problem by using the restarted Arnoldi iteration method. Unbalance responses in time and frequency domain are performed by superposing the eigenvalues and eigenvectors from the free vibration analysis. The validity of the proposed method is verified by comparing the simulated unbalance response with the experimental results. This research also shows that the flexibility of supporting structures plays an important role in determining the unbalance response of the polygon mirror scanner motor.
We as modal parameter estimation technique by developing a residual based system reconstruction and using the system matrix coordinate transformation. The modal parameters can be estimated from and residues of the system transfer functions expressed in modal coordinate basis, derived from the state space system matrices. However, for modal parameter estimation of multivariable and order structural systems over broad frequency bands, this non-iterative algorithm gives high accuracy in the natural fre- and damping ratios. From vibration tests on cross-ply and angle-ply composite laminates, the natural frequencies and damping ratios on be estimated using tile coordinates of the structural system reconstructed fro the experimental frequency response. These results are compared with those of finite element analysis and single-degree-of-freedom curve-fitting.
Many failures have been reported in gas turbine facilities owing to repeated startups and prolonged use of the turbines. In this study, the causes and mechanism of fatigue failure in the first blade of a gas turbine were analyzed using a finite element method to calculate the centrifugal force, bending force, and a modal analysis based on the stress-stiffening effect and harmonic response under the operating conditions. The results show that, fatigue damage was caused by the resonance conditions encountered, in which the first natural frequency declined along with an increase in the metal temperature of the blade. The position of the expected fatigue damage was shown to match the actual position of the cracking at the root area of the blade, which was on the concave side. In addition, the equivalence fatigue stress was observed to approach the fatigue limit.
모달법을 사용하는 주파수 응답해석에서, 주파수 응답함수 계산에 포함할 모드의 수를 결정하는 것이 매우 중요하다 대부분의 전문가들은 자신의 경험에 의해 모드 축약을 수행한다. 그러나, 비전문가의 입장에서 다양한 문제에 대하여 모드 축약을 합리적으로 수행하는 것은 어려운 일이다. 본 연구에서는 퍼지이론을 이용하여 경험적인 모드 축약법을 표준화하여 전문가뿐만 아니라, 비전문가도 적절한 모드 축약을 쉽게 할 수 있도록 하였다. 퍼지 룰 베이스는 유한요소법 프로그램을 이용한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 작성되었다. 시뮬레이션 결과 퍼지이론을 이용한 모드 축약법이 해석에 포함할 모드의 수를 결정하는데 있어서 매우 효과적인 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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