In this paper, the vibration of a rotating shaft with a thin rigid disk on bearing supports is considered. It is assumed that the shaft has uniform, circular cross-section. Based on the Timoshenko-beam theory, the transverse displacements and slops in two lateral directions, the axial displacement, and the torsional deformation are considered. And flexible supports are used to analyse the bearings. A spectral element model is developed for the vibration analysis of the rotating shaft with a thin rigid disk, which is modeled by two shaft elements and a thin rigid disk element. The result of vibration analysis by finite element method is compared to the result of this research.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.23
no.8
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pp.698-706
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2013
Structural vibration induced by excitation forces under turbulent boundary layer is investigated in terms of the numerical analysis in this paper. Since the responses of structures excited by the wall pressure fluctuation(WPF) are described by the power spectral density functions, they are calculated and reviewed theoretically for finite and infinite length beams. For the use of numerical approaches, the WPF needs to be discretized but conventional finite element method is not much effective for that purpose because the WPF lose the spatial correlation characteristics. As an alternative numerical technique for WPF modelling, a wavenumber domain finite element approach, called waveguide finite element method, is examined here for infinite length beams. From the comparison between the numerical and theoretical results, it was confirmed that the WFE method can effectively and easily cope with the excitation from WPF and hence the suitable approach.
This paper proposes a structural damage identification approach based on the power spectral density transmissibility (PSDT), which is developed to formulate the relationship between two sets of auto-spectral density functions of output responses. The accuracy of response reconstruction with PSDT is investigated and the damage identification in structures is conducted with measured acceleration responses from the damaged state. Numerical studies on a seven-storey plane frame structure are conducted to investigate the performance of the proposed damage identification approach. The initial finite element model of the structure and measured acceleration measurements from the damaged structure are used for the identification with a dynamic response sensitivity-based model updating method. The simulated damages can be identified accurately without and with a 5% noise effect included in the simulated responses. Experimental studies on a steel plane frame structure in the laboratory are performed to further verify the accuracy of response reconstruction with PSDT and validate the proposed damage identification approach. The locations of the introduced damage are detected accurately and the stiffness reductions in the damaged elements are identified close to the true values. The identification results demonstrated the accuracy of response reconstruction as well as the correctness and efficiency of the proposed damage identification approach.
To overcome the difficulty of performing multi-point response spectrum analysis for engineering structures under spatially varying ground motions (SVGM) using the general finite element code such as ANSYS, an approach has been developed by improving the modelling of the input ground motions in the spectral analysis. Based on the stochastic vibration analyses, the cross-power spectral density (c-PSD) matrix is adopted to model the stationary SVGM. The design response spectra are converted into the corresponding PSD model with appropriate coherency functions and apparent wave velocities. Then elements of c-PSD matrix are summarized in the row and the PSD matrix is transformed into the response spectra for a general spectral analysis. A long-span high-pier bridge under multiple support excitations is analyzed using the proposed approach considering the incoherence, wave-passage and site-response effects. The proposed approach is deemed to be an efficient numerical method that can be used for seismic analysis of large engineering structures under SVGM.
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 this study, it has been tried to prepare an analytical fragility curves for isolated straight continues highway bridges by considering different spectral intensity measures. A three-span concrete isolated bridge has been selected and the seismic performance of the bridge has been improved by Lead Rubber Bearing (LRB). Incremental Dynamic Analysis (IDA) is applied to the bridge in longitudinal direction. A suite of 14 earthquake ground motions from medium to sever motions are scaled and used for nonlinear time history analysis. Fragility function considers the relationship of earthquake intensity measures (IM) and probability of exceeding certain Damage State (DS). A full three dimensional finite element model of the isolated bridge has been developed and analyzed. A wide range of different intensity measures are selected and the optimal intensity measure which has the less dispersion is proposed.
In this paper, a simplified model is studied to predict analytically the vibration from the helical gear system due to an axial excitation of helical gears. The simplified model describes gear, shaft, bearing, and housing. In order to obtain the axial force of helical gears, the mesh stiffness is calculated in the load deflection relation. The axial force is obtained from the solution of the equation of motion, using the mesh stiffness. It is used as a longitudinal excitation of the shaft, which in turn drives the gear housing through the bearing. In this study, the shaft is modeled as a rod, while the bearing is modeled as a parallel spring and damper only supporting longitudinal forces. The gear housing is modeled as a clamped circular plate with viscous damping. For the modeling of this system, transfer matrices for the rod and bearing are used, using a spectral method with four pole parameters. The model is validated by finite element analysis. Using the model, parameter studies are carried out. As a result, the linearized dynamic shaft force due to the gear excitation in the frequency domain was proposed. Out-of-plan displacement from the forced vibrating circular plate and the renewed mode normalization constant of the circular plate were also proposed. In order to control the axial vibration of the helical gear system, the plate was more important than the shaft and the bearing. Finally, the effect of the dominant design parameters for the gear system can be investigated by this model.
Stability of the barotropic Rossby-Haurwitz wave is investigated using the numerical models on the global domain. The Rossby-Haurwitz wave under investigation is composed of the basic zonal flow of super-rotation and a finite amplitude spherical harmonic wave. The Rossby-Haurwitz wave is given as either steady or unsteady wave by adjusting the strength of the super-rotating zonal flow. Stability as well as the growth rate of the wave in the numerical simulation is determined by comparing the perturbation amplitude at two different time stages. Unstable modes of the Rossby-Haurwitz wave exhibited a horizontal structure composing of various zonal-wavenumber components. The vorticity perturbation for some modes showed a discontinuity around the area of weak flow, which was found robust regardless of the horizontal resolution of the model. Fourier finite element model was shown to generate the unstable mode in earlier stage of the time integration due to less accuracy compared to the spherical harmonic spectral model. Taking the overall accuracy of the models into consideration, the time by which the unstable mode begin to dominate over the spherical harmonic wave was estimated.
The normalised version of bispectrum, the so-called bicoherence, has often proved a reliable method of damage detection on engineering applications. Indeed, higher-order spectral analysis (HOSA) has the advantage of being able to detect non-linearity in the structural dynamic response while being insensitive to ambient vibrations. Skewness in the response may be easily spotted and related to damage conditions, as the majority of common faults and cracks shows bilinear effects. The present study tries to extend the application of HOSA to damage localisation, resorting to a neural network based classification algorithm. In order to validate the approach, a non-linear finite element model of a 4-meters-long cantilever beam has been built. This model could be seen as a first generic concept of more complex structural systems, such as aircraft wings, wind turbine blades, etc. The main aim of the study is to train a Neural Network (NN) able to classify different damage locations, when fed with bispectra. These are computed using the dynamic response of the FE nonlinear model to random noise excitation.
Based on the Model Coupled Method (MCM), a case study has been carried out on a Concrete-Filled Steel Tubular (CFST) tied arch bridge to investigate the vibration problem. The mathematical model assumed a finite element representation of the bridge together with beam, shell, and link elements, and the vehicle simulation employed a three dimensional linear vehicle model with seven independent degrees-of-freedom. A well-known power spectral density of road pavement profiles defined the road surface roughness for Perfect, Good and Poor roads respectively. In virtue of a home-code program, the dynamic interaction between the bridge and vehicle model was simulated, and the dynamic amplification factors were computed for displacement and internal force. The impact effects of the vehicle on different bridge members and the influencing factors were studied. Meanwhile the acceleration responses of some of the components were analyzed in the frequency domain. From the results some valuable conclusions have been drawn.
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