Song, Chang Yong;Lee, Dong-Jun;Lee, Jin Sun;Kim, Eun Mi;Choi, Bo-Youp
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.34
no.4
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pp.253-262
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2020
This study provides a comparative analysis of experiments-based enhancements and sensitivity evaluations for the structural design of an automatic ocean salt collector under various load conditions. The sizing variables of the structural members were considered as design factors. The strength and weight performances were selected as output responses. The design of experiments used in the comparative study consisted of the orthogonal array design, Box-Behnken design, and central composite design. The response surface model, one of the metamodels, was applied to the approximate model generation. The design enhancement performance metrics, including numerical costs and weight minimization, according to the design of experiments, were compared from the best design case results. The central composite design method showed the most enhanced design results for the structural design of the automatic ocean salt collector.
Solutions to the problems of structural parameter estimation from modal response using leastsquares minimization of force or displacement residuals are generally sensitive to noise in the response measurements. The sensitivity of the parameter estimates is governed by the physical characteristics of the structure and certain features of the noisy measurements. It has been shown that the regularization method can be used to reduce effects of the measurement noise on the estimation error through adding a regularization function to the parameter estimation objective function. In this paper, we adopt the regularization function as the Euclidean norm of the difference between the values of the currently estimated parameters and the a priori parameter estimates. The effect of the regularization function on the outcome of parameter estimation is determined by a regularization factor. Based on a singular value decomposition of the sensitivity matrix of the structural response, it is shown that the optimal regularization factor is obtained by using the maximum singular value of the sensitivity matrix. This selection exhibits the condition where the effect of the a priori estimates on the solutions to the parameter estimation problem is minimal. The performance of the proposed algorithm is investigated in comparison with certain algorithms selected from the literature by using a numerical example.
To solve the problem of detecting structural damage, a two-stage method using the Kalman filter and Particle Swarm Optimization (PSO) is proposed. In this method, the first PSO population is enhanced using the Kalman filter method based on dynamic responses. Due to noise in the sensor responses and errors in the damage detection process, the accuracy of the damage detection process is reduced. This method proposes a novel approach for solve this problem by integrating the Kalman filter and sensitivity analysis. In the Kalman filter, an approximate damage equation is considered as the equation of state and the damage detection equation based on sensitivity analysis is considered as the observation equation. The first population of PSO are the random damage scenarios. These damage scenarios are estimated using a step of the Kalman filter. The results of this stage are then used to detect the exact location of the damage and its severity with the PSO algorithm. The efficiency of the proposed method is investigated using three numerical examples: a 31-element planer truss, a 52-element space dome, and a 56-element space truss. In these examples, damage is detected for several scenarios in two states: using the no noise responses and using the noisy responses. The results show that the precision and efficiency of the proposed method are appropriate in structural damage detection.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.577-582
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2007
A variational formulation for plane elasticity problems is derived based on an isogeometric approach. The isogeometric analysis is an emerging methodology such that the basis functions in analysis domain arc generated directly from NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) geometry. Thus. the solution space can be represented in terms of the same functions to represent the geometry. The coefficients of basis functions or the control variables play the role of degrees-of-freedom. Furthermore, due to h-. p-, and k-refinement schemes, the high order geometric features can be described exactly and easily without tedious re-meshing process. The isogeometric sensitivity analysis method enables us to analyze arbitrarily shaped structures without re-meshing. Also, it provides a precise construction method of finite element model to exactly represent geometry using B-spline base functions in CAD geometric modeling. To obtain precise shape sensitivity, the normal and curvature of boundary should be taken into account in the shape sensitivity expressions. However, in conventional finite element methods, the normal information is inaccurate and the curvature is generally missing due to the use of linear interpolation functions. A continuum-based adjoint sensitivity analysis method using the isogeometric approach is derived for the plane elasticity problems. The conventional shape optimization using the finite element method has some difficulties in the parameterization of boundary. In isogeometric analysis, however, the geometric properties arc already embedded in the B-spline shape functions and control points. The perturbation of control points in isogeometric analysis automatically results in shape changes. Using the conventional finite clement method, the inter-element continuity of the design space is not guaranteed so that the normal vector and curvature arc not accurate enough. On tile other hand, in isogeometric analysis, these values arc continuous over the whole design space so that accurate shape sensitivity can be obtained. Through numerical examples, the developed isogeometric sensitivity analysis method is verified to show excellent agreement with finite difference sensitivity.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.18
no.2
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pp.78-88
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2017
Cantilever beam MEMS piezoelectric accelerometers are the simplest and most widely used accelerometer structure. This paper discusses the design of a piezoelectric accelerometer exclusively for SHM applications. While such accelerometers need to operate at a lower frequency range, they also need to possess high sensitivity and low noise floor. The availability of a simple model for deflection, charge, and voltage sensitivities will make the accelerometer design procedure less cumbersome. However, a review of the open literature suggests that such a model has not yet been proposed. In addition, previous works either depended on FEM analysis or only reported on the fabrication and characterization of piezoelectric accelerometers. Hence, this paper presents, for the first time, a simple analytical model developed for the deflection, induced voltage, and charge sensitivity of a cantilever beam piezoelectric accelerometer.The model is then verified using FEM analysis for a range of different cases. Further, the model was validated by comparing the induced voltages of an accelerometer estimated using this model with experimental voltages measured in the accelerometer after fabrication. Subsequently, the design of an accelerometer is demonstrated for SHM applications using the analytical model developed in this work. The designed accelerometer has 60 mV/g voltage sensitivity and 2.4 pC/g charge sensitivity, which are relatively high values compared to those of the piezoresistive and capacitive accelerometers for SHM applications reported earlier.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.3
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pp.73-82
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2015
In evaluating lateral behavior on the seismic and wind load, the purpose of sensitivity analysis is to find critical variables and to identify characteristic response with variability of variables. The sensitivity analysis is very important in structural diagnosis, repair and reinforcement field. This study investigates the sensitivity by linear static analysis applying the TDA method in changing angles of diagrid braces on the same height structures. In case of mid rise model, under the seismic load, the brace member is determined as a major variable at $58^{\circ}$ but a high rise model, under the wind load, has the brace member as a major variable at $67.4^{\circ}$. In addition, location of critical sensitivity on the mid rise model is distributed over middle section, while it is distributed lower section on the high rise model.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.347-354
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2004
Using an efficient adjoint variable method, we develop a unified design sensitivity analysis (DSA) method considering both steady state nonlinear heat conduction and geometrical nonlinear elasticity problems. Design sensitivity expressions with respect to thermal conductivity and Young's modulus are derived. Beside the temperature and displacement adjoint equations, another coupled one is defined regarding the obtained adjoint displacement field as the adjoint load in temperature field. The developed DSA method is shown to be very efficient and further extended to a topology design optimization method for the nonlinear weakly coupled thermo-elasticity problems using a density approach.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.760-763
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2003
This study proposed the analysis of damage defection due to the change of the stiffness of structure by using the original and modified dynamic characteristics. The method is applied to examples of a cantilever and 3 degree of freedom by modifying the stiffness. The predicted damage detections are in good agreement with these from the structural reanalysis using the modified stiffness.
Radoicic, Goran N.;Jovanovic, Miomir Lj.;Marinkovic, Dragan Z.
Structural Engineering and Mechanics
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v.52
no.6
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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.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.22
no.6
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pp.950-956
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2013
This paper describes a sensitivity-coefficient-based iterative method for detecting cracks in a structure. The sensitivity coefficients of a cracked structure are obtained by changing its eigenvectors. The proposed method is applied to a cracked cantilever. The crack is modeled as a rotational stiffness. The predicted cracks are in good agreement with those from a structural reanalysis of the cracked structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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