The research and applications of numerical methods of design optimization on structural dynamic behaviors are presented in this paper. The emphasis is focused on the dynamic design optimization of aerospace structures, particularly those composed of composite laminate and sandwich plates. The methods of design modeling, sensitivity analysis on structural dynamic responses, and the optimization solution approaches are presented. The numerical examples of sensitivity analysis and dynamic structural design optimization are given to demonstrate the effectiveness of the numerical methods.
This study shows how uncertainties of data like material properties quantitatively have an influence on structural topology optimization results for dynamic problems, here such as both optimal topology and shape. In general, the data uncertainties may result in uncertainties of structural behaviors like deflection or stress in structural analyses. Therefore optimization solutions naturally depend on the uncertainties in structural behaviors, since structural behaviors estimated by the structural analysis method like FEM need to execute optimization procedures. In order to quantitatively estimate the effect of data uncertainties on topology optimization solutions of dynamic problems, a so-called interval analysis is utilized in this study, and it is a well-known non-stochastic approach for uncertainty estimate. Topology optimization is realized by using a typical SIMP method, and for dynamic problems the optimization seeks to maximize the first-order eigenfrequency subject to a given material limit like a volume. Numerical applications topologically optimizing dynamic wall structures with varied supports are studied to verify the non-stochastic interval analysis is also suitable to estimate topology optimization results with dynamic problems.
Traditional structural dynamic analysis and Structural Health Monitoring (SHM) of large scale concrete civil structures rely on manufactured embedding transducers to obtain structural dynamic properties. However, the embedding of manufactured transducers is very expensive and low efficiency for signal acquisition. In dynamic structural analysis and SHM areas, piezoelectric transducers are more and more popular due to the advantages like quick response, low cost and adaptability to different sizes. In this paper, the applicable feasibility assessment of the designed "artificial" piezoelectric transducers called Concrete Piezoelectric Smart Module (CPSM) in dynamic structural analysis is performed via three major experiments. Experimental Modal Analysis (EMA) based on Ibrahim Time Domain (ITD) Method is applied to experimentally extract modal parameters. Numerical modal analysis by finite element method (FEM) modeling is also performed for comparison. First ten order modal parameters are identified by EMA using CPSMs, PCBs and FEM modeling. Comparisons are made between CPSMs and PCBs, between FEM and CPSMs extracted modal parameters. Results show that Power Spectral Density by CPSMs and PCBs are similar, CPSMs acquired signal amplitudes can be used to predict concrete compressive strength. Modal parameter (natural frequencies) identified from CPSMs acquired signal and PCBs acquired signal are different in a very small range (~3%), and extracted natural frequencies from CPSMs acquired signal and FEM results are in an allowable small range (~5%) as well. Therefore, CPSMs are applicable for signal acquisition of dynamic responses and can be used in dynamic modal analysis, structural health monitoring and related areas.
The finite element method(FEM) is proven to be an effective approximate method of structural analysis if proper element types and meshes are chosen, and recently, the method is often applied to solve complex dynamic and nonlinear problems. A properly chosen element type and mesh yields reliable results for dynamic finite element structural analysis. However, dynamic behavior of a structure may include unpredictably large strains in some parts of the structure, and using the initial mesh throughout the duration of a dynamic analysis may include some elements to go through strains beyond the elements' reliable limits. Thus, the finite element mesh for a dynamic analysis must be dynamically adaptive, and considering the rapid process of analysis in real time, the dynamically adaptive finite element mesh generating schemes must be computationally efficient. In this paper, a computationally efficient dynamically adaptive finite element mesh generation scheme for dynamic analyses of structures is described. The concept of representative strain value is used for error estimates and the refinements of meshes use combinations of the h-method(node movement) and the r-method(element division). The shape coefficient for element mesh is used to correct overly distorted elements. The validity of the scheme is shown through a cantilever beam example under a concentrated load with varying values. The example shows reasonable accuracy and efficient computing time. Furthermore, the study shows the potential for the scheme's effective use in complex structural dynamic problems such as those under seismic or erratic wind loads.
Radoicic, Goran N.;Jovanovic, Miomir Lj.;Marinkovic, Dragan Z.
Structural Engineering and Mechanics
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제52권6호
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pp.1193-1208
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2014
A simulation of failures on responsible elements is only one form of the extreme structural behavior analysis. By understanding the dynamic behavior in incidental situations, it is possible to make a special structural design from the point of the largest axial force, stress and redundancy. The numerical realization of one such simulation analysis was performed using FEM in this paper. The boundary parameters of transient analysis, such as overall structural damping coefficient, load accelerations, time of load fall and internal forces in the responsible structural elements, were determined on the basis of the dynamic experimental parameters. The structure eigenfrequencies were determined in modal analysis. In the study, the basic incidental models were set. The models were identified by many years of monitoring incidental situations and the most frequent human errors in work with heavy structures. The combined load models of structure are defined in the paper since the incidents simply arise as consequences of cumulative errors and failures. A feature of a combined model is that the single incident causes the next incident (consecutive timing) as well as that other simple dynamic actions are simultaneous. The structure was observed in three typical load positions taken from the crane passport (range-load). The obtained dynamic responses indicate the degree of structural sensitivity depending on the character of incident. The dynamic coefficient KD was adopted as a parameter for the evaluation of structural sensitivity.
Nonlinear dynamic analysis is generally used in automobile crash analysis and structural optimization considering crashworthiness uses the results of nonlinear dynamic analysis. Automobile crash optimization has high nonlinearity and difficulty in calculating sensitivity. Recently the equivalent static load (ESL) method has been proposed in order to overcome these difficulties. The ESL is the static load set generating the same displacement field as the nonlinear dynamic displacement field at each time step in dynamic analysis. From various researches regarding the ESL method, it has been proved that the ESL method is fairly useful. The ESL method can mathematically optimize a crash optimization problem through nonlinear analysis and well developed static optimization. The ESL is applied to nonlinear dynamic structural optimization of the automobile frontal impact problem. An automobile bumper is optimized. The mass of the structure is minimized while some constraints are satisfied.
A simplified dynamic analysis method for high-rise building structures is proposed in this study. In the proposed method, member forces are obtained through static analysis using story forces derived from story shear forces which are obtained using dynamic analysis procedure. Major advantage of the proposed method is in the convenience in load combinations for design analysis.
A method of considering the fluid induced external force in structural dynamic analysis is presented in this study. The fluid induced pressure distribution around a structure in discrete number of orientation. and velocity is calculated by using a CFD code and tabulated as resultant forces and moments in a database. These forces and moments are interpolated and employed as external forces during the dynamic analysis of structure. The reliability and usefulness of the present method is validated by using a simple discrete system example through transient analysis. The flutter speed is obtained and compared to the analytical solution. Comparing to the method in which structural dynamic and fluid flow analyses are performed simultaneously, the present method is very efficient to save computational effort.
Finite element method is used for the structural analysis of low speed large diesel engine structures, and the kinematic and mechanism analysis is performed to compute loads applied to the engine structures. A typical diesel engine is used as an example and static and dynamic structural analyses are demonstrated. Dynamic stress of engine is measured during the sea-trial operation of the ship.
Evaluation of structural stability of aged wharf structure of pier type is of great importance for both safety and rehabilitation, Series of field dynamic experiments were performed for berthing impact and the results were used to calibrate analysis model. Through dynamic analysis for design, berthing impact safety of old wharf structure were evaluated. In this paper the procedure and results of experiments and analysis are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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