In this study, vibration characteristics of offshore wind turbine tower (WTT) with gravity-based foundation (GBF) are identified from dynamic responses under wave-induced excitations. The following approaches are implemented to achieve the objective. Firstly, the operational modal analysis methods such as frequency domain decomposition (FDD) and stochastic subspace identification (SSI) are selected to estimate modal parameters from output-only dynamic responses. Secondly, a GBF WTT model composed of superstructure, substructure and foundation is simulated as a case study by using a structural analysis program, MIDAS FEA. Thirdly, wave pressures acting on the WTT structure are established by nonlinear regular waves which are simulated from a computational fluid software, Flow 3D. Wave-induced acceleration responses of the target structure are analyzed by applying the simulated wave pressures to the GBF WTT model. Finally, modal parameters such as natural frequencies and mode shapes are estimated from the output-only acceleration responses and compared with the results from free vibration analysis. The effect of wave height and period on modal parameter extraction is also investigated for the mode identification of the GBF WTT.
Structural damage identification (SDI) methods have been proposed to monitor the safety of structures. However, the traditional SDI methods using modal parameters, such as natural frequencies and mode shapes, are not sensitive enough to structural damage. To tackle this problem, this paper proposes a new SDI method based on transmissibility assurance criterion (TAC) and weighted Schatten-p norm regularization. Firstly, the transmissibility function (TF) has been proved a useful damage index, which can effectively detect structural damage under unknown excitations. Inspired by the modal assurance criterion (MAC), TF and MAC are combined to construct a new damage index, so called as TAC, which is introduced into the objective function together with modal parameters. In addition, the weighted Schatten-p norm regularization method is adopted to improve the ill-posedness of the SDI inverse problem. To evaluate the effectiveness of the proposed method, some numerical simulations and experimental studies in laboratory are carried out. The results show that the proposed method has a high SDI accuracy, especially for weak damages of structures, it can precisely achieve damage locations and quantifications with a good robustness.
Kim, Bong-Suk;Lee, Seong-Min;Song, Jun-Yeob;Lee, Chang-Woo;Lee, Soo-Hun
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.24
no.3
s.192
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pp.108-116
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2007
To overcome many defects such as the high product cost, large energy consumption, and big space capacity in conventional mechanical machining, the miniaturization of machine tool and micro factory systems has been envisioned recently. The object of this paper is to research the effect of dynamic characteristic parameters in bolted-joint beams, which is widely applied to the joining of mechanical structures in order to identify structural system characteristics and to predict dynamic behavior according to scale-down from macro to micro system as the development of micro/meso-scale machine tool and micro factories. Modal parameters such as the natural frequency, damping ratio, and mode shape from modal testing and dynamic characteristics from finite element analysis are extracted with all 12 test beam models by materials, by size, and by joining condition, and then the results obtained by both methods are compared.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.23
no.6
s.183
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pp.119-127
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2006
A non-destructive time domain approach to examine structural damage using parameterized partial differential equations and Galerkin approximation techniques is presented. The time domain analysis for damage detection is independent of modal parameters and analytical models unlike frequency domain methods which generally rely on analytical models. The time history of the vibration response of the structure was used to identify the presence of damage. Damage in a structure causes changes in the physical coefficients of mass density, elastic modulus and damping coefficients. This is a part of our ongoing effort on the general problem of modeling and parameter estimation for internal damping mechanisms in a composite beam. Namely, in detecting damage through time-domain or frequency-domain data from smart sensors, the common damages are changed in modal properties such as natural frequencies, mode shapes, and mode shape curvature. This paper examines the use of beam-like structures with piezoceramic sensors and actuators to perform identification of those physical parameters, and detect the damage. Experimental results are presented from tests on cantilevered composite beams damaged at different locations and different dimensions. It is demonstrated that the method can sense the presence of damage and obtain the position of a damage.
Iban, Norberto;Soria, Jose M.;Magdaleno, Alvaro;Casado, Carlos;Diaz, Ivan M.;Lorenzana, Antolin
Smart Structures and Systems
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v.22
no.1
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pp.13-25
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2018
Pedro $G{\acute{o}}mez$ Bosque footbridge is a slender and lightweight structure that creates a pedestrian link over the Pisuerga River, Valladolid, Spain. This footbridge is a singular stress ribbon structure with one span of 85 m consisting on a steel plate and precast concrete slabs laying on it. Rubber pavement and a railing made of stainless steel and glass complete the footbridge. Because of its lively dynamics, prone to oscillate, a simple and affordable structural health monitoring system was installed in order to continuously evaluate its structural serviceability and to estimate its modal parameters. Once certain problems (conditioning and 3D orientation of the triaxial accelerometers) are overcome, the monitoring system is validated by comparison with a general purpose laboratory portable analyzer. Representative data is presented, including acceleration magnitudes and modal estimates. The evolution of these parameters has been analysed over one-year time.
Lais, Stefan;Liang, Quanwei;Henggeler, Urs;Weiss, Thomas;Escaler, Xavier;Egusquiza, Eduard
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.4
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pp.303-314
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2009
The present paper shows the results of numerical and experimental modal analyses of Francis runners, which were executed in air and in still water. In its first part this paper is focused on the numerical prediction of the model parameters by means of FEM and the validation of the FEM method. Influences of different geometries on modal parameters and frequency reduction ratio (FRR), which is the ratio of the natural frequencies in water and the corresponding natural frequencies in air, are investigated for two different runners, one prototype and one model runner. The results of the analyses indicate very good agreement between experiment and simulation. Particularly the frequency reduction ratios derived from simulation are found to agree very well with the values derived from experiment. In order to identify sensitivity of the structural properties several parameters such as material properties, different model scale and different hub geometries are numerically investigated. In its second part, a harmonic response analysis is shown for a Francis runner by applying the time dependent pressure distribution resulting from an unsteady CFD simulation to the mechanical structure. Thus, the data gained by modern CFD simulation are being fully utilized for the structural design based on life time analysis. With this new approach a more precise prediction of turbine loading and its effect on turbine life cycle is possible allowing better turbine designs to be developed.
The prediction error variances for frequencies are usually considered as unknown in the Bayesian system identification process. However, the error variances for mode shapes are taken as known to reduce the dimension of an identification problem. The present study attempts to explore the effectiveness of Bayesian approach of model parameters updating using Markov Chain Monte Carlo (MCMC) technique considering the prediction error variances for both the frequencies and mode shapes. To remove the ergodicity of Markov Chain, the posterior distribution is obtained by Gaussian Random walk over the proposal distribution. The prior distributions of prediction error variances of modal evidences are implemented through inverse gamma distribution to assess the effectiveness of estimation of posterior values of model parameters. The issue of incomplete data that makes the problem ill-conditioned and the associated singularity problem is prudently dealt in by adopting a regularization technique. The proposed approach is demonstrated numerically by considering an eight-storey frame model with both complete and incomplete modal data sets. Further, to study the effectiveness of the proposed approach, a comparative study with regard to accuracy and computational efficacy of the proposed approach is made with the Sequential Monte Carlo approach of model parameter updating.
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
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v.29
no.1
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pp.39-55
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1993
Modal Analysis is the process of characterizing the dynamic properties of an elastic structure by identifying its modes of vibration. A mode of vibration is a global property of an elastic structure. That is, a mode has a specific natural frequency and damping factor which can be identified from response data at practically any point on a structure, and it has a characteristic mode shape which identifies the mode spatially over the entire structure. Modal testing is able to be performed on structural and mechanical structure in an effort to learn more about their elastic behavior. Once the dynamic properties of a structure are known its behavior can be predicted and therefore controlled or corrected. Resonant frequencies, damping factors and mode shape data can be used directly by a mechanical designer to pin point weak spots in a structure design, or this data can also be used to confirm or synthesize equations of motion for the elastic structure. These differential equations can be used to simulate structural response to know input forces and to examine the effects of pertubations in the distributed mass, stiffness and damping properties of the structure in more detail. In this paper the measurement of transfer functions in digital form, and the application of digital parameter identification techniques to identify modal parameters from the measured transfer function data are discussed. It is first shown that the transfer matrix, which is a complete dynamic model of an elastic plate structure can be written in terms of the structural modes of vibration. This special mathematical form allows one to identify the complete dynamics of the structure from a much reduced set of test data, and is the essence of the modal approach to identifying the dynamics of a structure. Finally, the application of transfer function models and identification techniques for obtaining modal parameters from the transfer function data are discussed. Characteristics on vibration response of elastic plate structure obtained from the dynamic analysis by Finite Element Method are compared with results of modal analysis.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.10
no.4
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pp.9-16
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2010
In the health monitoring of civil engineering structures, the optimal sensor placement has a major influence on the quality of the results. This paper considers the problem of locating sensors with the aim of maximizing the data information so that structural parameters or damage of structures can be assessed. An proposed technique using a genetic algorithm is introduced to find the optimal placement of sensors. The sensitivity on modal vectors by structural parameters and the orthogonality of modal vectors have been taken as the fitness function of the genetic algorithm. A simple tower structure is used for example analyses to investigate the feasibility and applicability of the proposed approach. The example analyses show the way how the modal sensitivity and the modal orthogonality in the fitness function have influence on the optimal sensor placement. It is shown that the present method using the proposed fitness function can provide the reliable results.
Park, Nam-Gyu;Rhee, Hui-Nam;Moon, Hoy-Ik;Jang, Young-Ki;Jeon, Sang-Youn;Kim, Jae-Ik
Nuclear Engineering and Technology
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v.41
no.6
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pp.821-830
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2009
In this paper, modal testing and finite element modeling results to identify the modal parameters of a nuclear fuel rod as well as its cladding tube are discussed. A vertically standing full-size cladding tube and a fuel rod with lead pellets were used in the modal testing. As excessive flow-induced vibration causes a failure in fuel rods, such as fretting wear, the vibration level of fuel rods should be low enough to prevent failure of these components. Because vibration amplitude can be estimated based on the modal parameters, the dynamic characteristics must be determined during the design process. Therefore, finite element models are developed based on the test results. The effect of a lumped mass attached to a cladding tube model was identified during the finite element model optimization process. Unlike a cladding tube model, the density of a fuel rod with pellets cannot be determined in a straightforward manner because pellets do not move in the same phase with the cladding tube motion. The density of a fuel rod with lead pellets was determined by comparing natural frequency ratio between the cladding tube and the rod. Thus, an improved fuel rod finite element model was developed based on the updated cladding tube model and an estimated fuel rod density considering the lead pellets. It is shown that the entire pellet mass does not contribute to the fuel rod dynamics; rather, they are only partially responsible for the fuel rod dynamic behavior.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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