Multibody system dynamics is based on classical mechanics and its engineering applications originating from mechanisms, gyroscopes, satellites and robots to biomechanics. Multibody system dynamics is characterized by algorithms or formalisms, respectively, ready for computer implementation. As a result simulation and animation are most convenient. Recent developments in multibody dynamics are identified as elastic or flexible systems, respectively, contact and impact problems, and actively controlled systems. Based on the history and recent activities in multibody dynamics, recursive algorithms are introduced and methods for dynamical analysis are presented. Linear and nonlinear engineering systems are analyzed by matrix methods, nonlinear dynamics approaches and simulation techniques. Applications are shown from low frequency vehicles dynamics including comfort and safety requirements to high frequency structural vibrations generating noise and sound, and from controlled limit cycles of mechanisms to periodic nonlinear oscillations of biped walkers. The fields of application are steadily increasing, in particular as multibody dynamics is considered as the basis of mechatronics.
A harmonic type differential quadrature approach for nonlinear dynamic analysis of multi-degree-of-freedom systems has been developed. A series of numerical examples is conducted to assess the performance of the HDQ method in linear and nonlinear dynamic analysis problems. Results are compared with the existing solutions available from other analytical and numerical methods. In all cases, the results obtained are quite accurate.
The objective of this study is to formulate a general 3D material-structural analysis framework for the thermomechanical behavior of steel-concrete structures in a fire environment. The proposed analysis framework consists of three sequential modeling parts: fire dynamics simulation, heat transfer analysis, and a thermomechanical stress analysis of the structure. The first modeling part consists of applying the NIST (National Institute of Standards and Technology) Fire Dynamics Simulator (FDS) where coupled CFD (Computational Fluid Dynamics) with thermodynamics are combined to realistically model the fire progression within the steel-concrete structure. The goal is to generate the spatial-temporal (ST) solution variables (temperature, heat flux) on the surfaces of the structure. The FDS-ST solutions are generated in a discrete form. Continuous FDS-ST approximations are then developed to represent the temperature or heat-flux at any given time or point within the structure. An extensive numerical study is carried out to examine the best ST approximation functions that strike a balance between accuracy and simplicity. The second modeling part consists of a finite-element (FE) transient heat analysis of the structure using the continuous FDS-ST surface variables as prescribed thermal boundary conditions. The third modeling part is a thermomechanical FE structural analysis using both nonlinear material and geometry. The temperature history from the second modeling part is used at all nodal points. The ABAQUS (2003) FE code is used with external user subroutines for the second and third simulation parts in order to describe the specific heat temperature nonlinear dependency that drastically affects the transient thermal solution especially for concrete materials. User subroutines are also developed to apply the continuous FDS-ST surface nodal boundary conditions in the transient heat FE analysis. The proposed modeling framework is applied to predict the temperature and deflection of the well-documented third Cardington fire test.
Kordkheili, Seyed Ali Hosseini;Mousavi, Taha;Bahai, Hamid
Structural Engineering and Mechanics
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v.66
no.5
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pp.621-629
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2018
By employing the nonlocal continuum field theory of Eringen and Von Karman nonlinear strains, this paper presents an analytical model for linear and nonlinear dynamics analysis of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) conveying fluid with different boundary conditions. In the linear analysis the natural frequencies and critical flow velocities of SWNTs are computed. However, in the nonlinear analysis the effect of nonlocal parameter on nonlinear dynamics of cantilevered SWNTs conveying fluid is investigated by using bifurcation diagram, phase plane and Poincare map. Numerical results confirm existence of chaos as well as a period-doubling transition to chaos.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.9-16
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2004
This paper deals with the development of computational schemes for the dynamic analysis of flexible and nonlinear multibody systems. Different from the existing method, this paper introduces the quaternion algebra to develop the equation of the conservation of energy. Simultaneously, Rodrigues parameters are used to express the finite rotation for the proposed scheme. The proposed energy scheme is derived such that it provides unconditionally stable conditions for the nonlinear problems. Several examples of dynamic systems are presented which illustrate the efficiency and accuracy of the developed energy schemes.
Journal of Fisheries and Marine Sciences Education
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v.24
no.5
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pp.699-711
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2012
An undergraduate course named computational structural analysis becomes more significant in recent years because of its important role in industries and the recent innovation in computer technology. Typically, the course consists of introduction to finite element method, utilization of general purpose finite element software, and examples focusing on static and linear analyses on various structural members such as a beam, truss, frame, arch, and cable. However, in addition to the static and linear analyses, current industries ask graduates to acquire basic knowledge on structural dynamics and nonlinear analysis, which are not listed in the conventional syllabus of the computational structural analysis. Therefore, this study develops geometrically nonlinear examples, which can help students to easily capture the fundamental nonlinear theory, software manipulation, and problem solving skills. For the purpose, five different examples are found, developed for the analyses of cables and cable nets, which naturally have strong geometrical non-linearity. In the paper, these examples are presented, discussed, and finally compared for a better subject development.
The dynamic and structural responses of a 1000-m long circular submerged floating tunnel (SFT) with both ends fixed under survival irregular-wave excitations are investigated. The floater-mooring nonlinear and elastic coupled dynamics are modeled by a time-domain numerical simulation program, OrcaFlex. Two configurations of mooring lines i.e., vertical mooring (VM) and inclined mooring (IM), and four different buoyancy-weight ratios (BWRs) are selected to compare their global performances. The result of modal analysis is included to investigate the role of the respective natural frequencies and elastic modes. The effects of various submergence depths are also checked. The envelopes of the maximum/minimum horizontal and vertical responses, accelerations, mooring tensions, and shear forces/bending moments of the entire SFT along the longitudinal direction are obtained. In addition, at the mid-section, the time series and the corresponding spectra of those parameters are also presented and analyzed. The pros and cons of the two mooring shapes and high or low BWR values are systematically analyzed and discussed. It is demonstrated that the time-domain numerical simulation of the real system including nonlinear hydro-elastic dynamics coupled with nonlinear mooring dynamics is a good method to determine various design parameters.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.24
no.1
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pp.14-20
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2014
Recent developments for high altitude, long endurance conventional UAVs(HALE UAVs) have revealed new issues regarding aircraft structure design and analysis. First of all, due to intensive mission requirements, the structures of HALE UAVs have lightweight and very flexible main wing with high aspect ratio, and slender fuselage. For this kind of structures, aeroelastic characteristics are different from conventional aircrafts. Hence, currently developed analysis methods are not suitable to fully understand strucutral dynamics of the very flexible aircraft, and to guarantee structural reliability. Therefore, various structural studies considering nonlinear behaviors which are generally ignored for the conventional aircraft strucutral analyis have been attracting researchers interests. Nonlinear flutter of the very flexible wing is one of the subject to be studied in combination with strong coupling between aeroelastic characteristics and flight dynamics. Herein, as preliminary study, modeling and nonlinear system analysis of the 2D airfoild with torsional nonlinearity have been discussed.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2013.10a
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pp.226-231
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2013
Recent developments for high altitude, long endurance conventional UAVs (HALE UAVs) have revealed new issues regarding aircraft structure design and analysis. First of all, due to intensive mission requirements, the structures of HALE UAVs have lightweight and very flexible main wing with high aspect ratio, and slender fuselage. For this kind of structures, aeroelastic characteristics are different from conventional aircrafts. Hence, currently developed analysis methods are not suitable to fully understand strucutral dynamics of the very flexible aircraft, and to guarantee structural reliability. Therefore, various structural studies considering nonlinear behaviors which are generally ignored for the conventional aircraft strucutral analyis have been attracting researchers interests. Nonlinear flutter of the very flexible wing is one of the subject to be studied in combination with strong coupling between aeroelastic characteristics and flight dynamics. Herein, as preliminary study, modeling and nonlinear system analysis of the 2D airfoild with torsional nonlinearity have been discussed.
Kim, Dong-Hyun;Lee, In;Kim, Seung-Ho;Kim, Tae-Hyoun;Lee, James S.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2002.11b
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pp.914-920
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2002
Nonlinear flow-induced vibration characteristics of a generic missile wing (or control surface) are investigated in this study. The wing model has freeplay structural nonlinearity at its pitch axis. Nonlinear aerodynamic flows with unsteady shock waves are considered in the transonic flow region. To practically consider the effects of freeplay structural nonlinearity, the fictitious mass method (FMM) is applied to structural vibration analysis based on a finite element method (FEM). A computational fluid dynamics (CFD) technique is used for computing the nonlinear unsteady aerodynamics of all-movable wings. The aerodynamic analysis is based on the efficient transonic small-disturbance aerodynamic equations of motion using the potential-flow theory. To solve the nonlinear aeroelastic governing equations including the freeplay effect, a modal-based computational structural dynamic (CSD) analysis technique based on fictitious mass method (FMM) is used in time-domain. In addition, CSD and unsteady CFD techniques are simultaneously coupled to give accurate computational results. Various aeroelastic computations have been performed for a generic missile wing model. Linear and nonlinear aeroelastic computations have been conducted and the characteristics of flow-induced vibration are introduced.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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