An analysis is presented on the stability of an elastic cantilever column having the elastic restraints at its free end, carrying an added tip mass, and subjected to uniformly distributed follower forces. The elastic restraints are formed by both a translational spring and a rotatory spring. For this purpose, the governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle, and the critical flutter loads and frequencies are obtained from the numerical evaluation of the eigenvalue functions of this elastic system. The added tip mass increases as a whole the critical flutter load of the elastic cantilever column, but the presence of its moment of inertia of mass has a destabilizing effect. The existence of the translational and rotatory springs at the free end increases the critical flutter load of the elastic cantilever column. Nevertheless, their effects on the critical flutter load are not uniform because of their coupling. The translational spring restraining the free end of the cantilever column decreases the critical flutter load by coupling with a large value of tip mass, while by coupling with the moment of inertia of tip pass its effect on the critical flutter load is contrary. The rotatory spring restraining the free end of the cantilever column increases the critical flutter load by coupling with the tip mass, but decreases it by coupling with the moment of inertia of the tip mass.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1996.04a
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pp.309-315
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1996
An analysis is presented on the stability of elastic cantilever column subjected to uniformly distributed follower forces as to the influence of the elastic restraints and a tip mass at the free end. The elastic restraints are formed by both the translational and the rotatory springs. For this purpose, the governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle, and the critical flutter loads and frequencies are obtained from the numerical evaluation of the eigenvalue functions of this elastic system. The added tip mass increases as a whole the critical flutter load in this system, but the presence of its moment of inertia of mass has a destabilizing effect. The existence of the translational and rotatory spring at the free end increases the critical flutter load of the elastic cantilever column. Nevertheless their effects on the critical flutter load are not uniform because of their coupling. The translational spring restraining the end of cantilever column decreases the critical flutter load by coupling with a large value of tip mass, while by coupling with the moment of inertia of tip mass its effect on the critical flutter load is contrary. The rotatory spring restraining the free end of cantilever column increases the critical flutter load by coupling with the tip mass, but decreases it by coupling with the moment of inertia of tip mass.
The analysis of nonlinear vibrations, buckling, post-buckling, flutter boundary determination and post-flutter behavior of a homogeneous curved plate assuming cylindrical bending is conducted in this article. Other assumptions include simply-supported boundary conditions, supersonic aerodynamic flow at the top of the plate, constant pressure conditions below the plate, non-viscous flow model (using first- and third-order piston theory), nonlinear structural model with large deformations, and application of mechanical and thermal loads on the curved plate. The analysis is performed with constant environmental indicators (flow density, heat, Reynolds number and Mach number). The material properties (i.e., coefficient of thermal expansion and modulus of elasticity) are temperature-dependent. The equations are derived using the principle of virtual displacement. Furthermore, based on the definitions of virtual work, the potential and kinetic energy of the final relations in the integral form, and the governing nonlinear differential equations are obtained after fractional integration. This problem is solved using two approaches. The frequency analysis and flutter are studied in the first approach by transferring the handle of ordinary differential equations to the state space, calculating the system Jacobin matrix and analyzing the eigenvalue to determine the instability conditions. The second approach discusses the nonlinear frequency analysis and nonlinear flutter using the semi-analytical solution of governing differential equations based on the weighted residual method. The partial differential equations are converted to ordinary differential equations, after which they are solved based on the Runge-Kutta fourth- and fifth-order methods. The comparison between the results of frequency and flutter analysis of curved plate is linearly and nonlinearly performed for the first time. The results show that the plate curvature has a profound impact on the instability boundary of the plate under supersonic aerodynamic loading. The flutter boundary decreases with growing thermal load and increases with growing curvature.
Bending-twisting coupling induced in big composite wind turbine blades is one of the passive control mechanisms which is exploited to mitigate loads incurred due to deformation of the blades. In the present study, flutter characteristics of bend-twist coupled blades, designed for load alleviation in wind turbine systems, are investigated by time-domain analysis. For this purpose, a baseline full GFRP blade, a bend-twist coupled full GFRP blade, and a hybrid GFRP and CFRP bend-twist coupled blade is designed for load reduction purpose for a 5 MW wind turbine model that is set up in the wind turbine multi-body dynamic code PHATAS. For the study of flutter characteristics of the blades, an over-speed analysis of the wind turbine system is performed without using any blade control and applying slowly increasing wind velocity. A detailed procedure of obtaining the flutter wind and rotational speeds from the time responses of the rotational speed of the rotor, flapwise and torsional deformation of the blade tip, and angle of attack and lift coefficient of the tip section of the blade is explained. Results show that flutter wind and rotational speeds of bend-twist coupled blades are lower than the flutter wind and rotational speeds of the baseline blade mainly due to the kinematic coupling between the bending and torsional deformation in bend-twist coupled blades.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.15
no.1
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pp.20-31
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2014
This paper deals with the development of a realistic shape optimization of damaged columns that are subjected to conservative and non-conservative forces, using the Genetic Algorithm (GA). The analysis is based on the design of the most optimized shape of the column under the constraint of constant weight, considering the Static, Vibrational, and Flutter characteristics. Under the action of conservative and non-conservative longitudinal forces, an elastic column loses its stability. A numerical analysis based on FEM has been performed on a uniform damaged column, to compute the fundamental buckling load, vibration frequency, and flutter load, under various end restraints. An optimization search based on the Genetic Algorithm is then executed, to find the optimal shape design of the column. The optimized column references the one having the highest buckling load, highest vibration frequency, and highest flutter load, among all the possible shapes of the column, for a given volume. A comparison is then made between the values obtained for the optimized damaged column, and those obtained for the optimized undamaged column. The comparison reveals that the incorporation of damage in the column alters its optimal shape to only a certain extent. Also, the critical load and frequency values for the optimized damaged column are comparatively low, compared with those obtained for the optimized undamaged column. However, these results hold true only for moderate-intensity damage cases. For high intensity damage, the optimal shape may not remain the same, and may vary, according to the severity of damage.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.4
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pp.351-363
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2004
Equation of motion of non conservative system considering mass matrix, elastic stiffness matrix, load correction stiffness matrix by circulatory force's direction change and Winkler and Pasternak foundation stiffness matrix is derived. Also stability analysis due to the divergence and flutter loads is performed. And the influence of internal and external damping coefficient on flutter load is investigated applying the quadratic eigen problem solution. Additionally the influence of non-conservative force's direction parameter, internal and external damping and Winkler and Pasternak foundation on the critical load of Beck's and Leipholz's and Hauger's columns are investigated.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.04a
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pp.538-544
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2009
A vibration excitation system was designed and built of forced vibration experiments for using stepping motor and load cell. The identified flutter derivatives of the thin-plate acrylic model were very close to the analytical results of the idealized plate presented by Theodorsen. Five types of sectional models were tested in the wind tunnel using the proposed forced vibration method. To investigate the frequency, amplitude and angle of attack effects on flutter derivatives.
In this study, a new passive aerodynamic control method is proposed. Control plate which is oscillated by TMD-like mechanism makes flutter stabilizing airflow. Effectiveness of proposed model is verified by experimental and analytical study. In addition, various parameters of the proposed system are investigated. Applicability to long span bridge is also examined. According to the research results, proposed model is very effective in suppressing flutter, and it also shows remarkable robustness.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.903-906
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2005
The purpose of this paper is to investigate free vibrations and critical loads of the uniform Beck's columns with a tip spring, carrying a tip mass. The ordinary differential equation governing free vibrations of such Beck's column subjected to a follower force is derived based on the Bernoulli-Euler beam theory. Both the divergence and flutter critical loads are calculated from the load-frequency curves that are obtained by solving the differential equation numerically. The critical loads are presented in the figures as functions of various non-dimensional system parameters such as the mass moment of inertia and spring parameter.
This paper presents the dynamic stability study of laminated composite plates with different force combinations and aspect ratios. Optimum non-diverging stacking is obtained for certain loading combination and aspect ratio. In addition, the stability force is maximized for a definite operating frequency. A dynamic version of the principle of virtual work for laminated composites is used to obtain force-frequency relation. Since dynamic stiffness governs the divergence or flutter, an efficient optimization method is necessary for the response functional and the relevant constraints. In this way, a model based on the ant colony optimization (ACO) algorithm is proposed to search for the proper stacking. The ACO algorithm is used since it treats with large number of dynamic stability parameters. Governing equations are formulated using classic laminate theory (CLT) and von-Karman plate technique. Load-frequency relations are explicitly obtained for fundamental and secondary flutter modes of simply supported composite plate with arbitrary aspect ratio, stacking and boundary load, which are used in optimization process. Obtained results are compared with the finite element method results for validity and accuracy convince. Results revealed that the optimum stacking with stable dynamic response and maximum critical load is in angle-ply mode with almost near-unidirectional fiber orientations for fundamental flutter mode. In addition, short plates behave better than long plates in combined axial-shear load case regarding stable oscillation. The interaction of uniaxial and shear forces intensifies the instability in long plates than short ones which needs low-angle layup orientations to provide required dynamic stiffness. However, a combination of angle-ply and cross-ply stacking with a near-square aspect ratio is appropriate for the composite plate regarding secondary flutter mode.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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