This paper presents a restart iterative approach for time-domain flutter analysis of long-span bridges using the commercial FE package ANSYS. This approach utilizes the recursive formats of impulse-response-function expressions for bridge's aeroelastic forces. Nonlinear dynamic equilibrium equations are iteratively solved by using the restart technique in ANSYS, which enable the equilibrium state of system to get back to last moment absolutely during iterations. The condition for the onset of flutter instability becomes that, at a certain wind velocity, the amplitude of vibration is invariant with time. A long-span suspension bridge was taken as a numerical example to verify the applicability and accuracy of the proposed method by comparing calculated results with wind tunnel tests. The proposed method enables the bridge designers and engineering practitioners to carry out time-domain flutter analysis of bridges in commercial FE package ANSYS.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.446-451
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2003
This paper presents some examples of active control of flow-induced vibration using piezoelectric actuators. The flutter phenomenon, which is the dynamic instability of structure due to mutual interaction among inertia, stiffness, and aerodynamic forces, may cause catastrophic structural failure, and therefore the active flutter suppression is one of the main objectives of the aeroelastic control. Active flutter control has been numerically and experimentally studied for swept-back lifting surfaces using piezoelectric actuation. A finite element method, a panel aerodynamic method, and the minimum state space realization are involved in the development of the governing equation, which is efficiently used for the analysis of the system and design of control laws with modern control framework. The active control suppressed flow-induced vibrations and extended the flutter speed around by 10%. Another representative flow-induced vibration phenomenon is the oscillation of blunt bodies due to the vortex shedding. In general, it is quite difficult to set up the numerical model because of the strong non-linearity of the vortex shedding structure. Therefore, we applied adaptive positive position feedback controller, which requires no pre-determined model of the plant, and successfully suppressed the flow-induced vibration.
This paper presents a novel finite element (FE) model for analyzing coupled flutter of long-span bridges using the commercial FE package ANSYS. This model utilizes a specific user-defined element Matrix27 in ANSYS to model the aeroelastic forces acting on the bridge, wherein the stiffness and damping matrices are expressed in terms of the reduced wind velocity and flutter derivatives. Making use of this FE model, damped complex eigenvalue analysis is carried out to determine the complex eigenvalues, of which the real part is the logarithm decay rate and the imaginary part is the damped vibration frequency. The condition for onset of flutter instability becomes that, at a certain wind velocity, the structural system incorporating fictitious Matrix27 elements has a complex eigenvalue with zero or near-zero real part, with the imaginary part of this eigenvalue being the flutter frequency. Case studies are provided to validate the developed procedure as well as to demonstrate the flutter analysis of cable-supported bridges using ANSYS. The proposed method enables the bridge designers and engineering practitioners to analyze flutter instability by using the commercial FE package ANSYS.
The effectiveness of aerodynamic modification to reduce wind loadings has been widely reported. However, most of previous studies have been investigated dynamic forces and pressure distributions on tall buildings with various unconventional configurations. This study was investigated dynamic characteristics and aerodynamic instability of super-tall buildings with unconventional configurations through extensive aeroelastic model experiments. Seventeen types of supertall building models were considered such as basic and corner modification with corner cut, chamfered, oblique opening, tapered, inversely tapered, bulged, helical with twist angles of $90^{\circ}$, $180^{\circ}$, $270^{\circ}$, $360^{\circ}$ and composite with $360^{\circ}$ helical & corner cut, 4-tapered & $360^{\circ}$ helical & corner cut, setback & corner cut, setback & $45^{\circ}$ rotate. As a result, aerodynamic characteristics of helical models with single modification are superior to those of other models with single modification. However, effect of twist angle for helical model is negligible. Further, the 4-tapered & $360^{\circ}$helical & corner cut model is most effective in reducing the along- and across-wind fluctuating displacement responses in all of experimental models.
Chen, Cong;Dai, Bingyu;Wieczorek, Niccolo;Unglaub, Julian;Thiele, Klaus
Wind and Structures
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v.35
no.4
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pp.255-268
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2022
Light-weight or low-damped structures may encounter the unsteady galloping instability that occurs at low reduced wind speeds, where the classical quasi-steady assumption is invalid. Although this unsteady phenomenon has been widely studied for rectangular cross sections with one side perpendicular to the incidence flow, the effect of the mean wind angle of attack has not been paid enough attention yet. With four sectional models of different side ratios and geometric shapes, the presented research focuses on the effect of the wind angle of attack on unsteady galloping instability. In static tests, comparatively strong vortex shedding force was noticed in the middle of the range of flow incidence where the lift coefficient shows a negative slope. In aeroelastic tests with a low Scruton number, the typical unsteady galloping, which is due to an interaction with vortex-induced vibration and results in unrestricted oscillation initiating at the Kármán vortex resonance wind speed, was observed for the wind angles of attack that characterize relatively strong vortex shedding force. In contrast, for the wind angles of attack with relatively weak shedding force, an "atypical" unsteady galloping was found to occur at a reduced wind speed clearly higher than the Kármán-vortex resonance one. These observations are valid for all four wind tunnel models. One of the wind tunnel models (with a bridge deck cross section) was also tested in a turbulent flow with an intensity about 9%, showing only the atypical unsteady galloping. However, the wind angle of attack with the comparatively strong vortex shedding force remains the most unfavorable one with respect to the instability threshold in low Scruton number conditions.
The objective of this work was to investigate the interference effects of two-parallel bridge decks on aerodynamic coefficients, vortex-induced vibration, flutter instability and flutter derivatives. The two bridges have significant difference in cross-sections, dynamic properties, and flutter speeds of each isolate bridge. The aerodynamic static tests and aeroelastic tests were performed in TU-AIT boundary layer wind tunnel in Thammasat University (Thailand) with sectional models in a 1:90 scale. Three configuration cases, including the new bridge stand-alone (case 1), the upstream new bridge and downstream existing bridge (case 2), and the downstream new bridge and the upstream existing bridge (case 3), were selected in this study. The covariance-driven stochastic subspace identification technique (SSI-COV) was applied to identify aerodynamic parameters (i.e., natural frequency, structural damping and state space matrix) of the decks. The results showed that, interference effects of two bridges decks on aerodynamic coefficients result in the slightly reduction of the drag coefficient of case 2 and 3 when compared with case 1. The two parallel configurations of the bridge result in vortex-induced vibrations (VIV) and significantly lower the flutter speed compared with the new bridge alone. The huge torsional motion from upstream new bridge (case 2) generated turbulent wakes flow and resulted in vertical aerodynamic damping H1* of existing bridge becomes zero at wind speed of 72.01 m/s. In this case, the downstream existing bridge was subjected to galloping oscillation induced by the turbulent wake of upstream new bridge. The new bridge also results in significant reduction of the flutter speed of existing bridge from the 128.29 m/s flutter speed of the isolated existing bridge to the 75.35 m/s flutter speed of downstream existing bridge.
In the last decades there have been frequent reports of oscillations of slender tension members under simultaneous action of rain and wind - characterized by large amplitudes and low frequencies. The members, e.g. cables of cable-stayed bridges, slightly inclined hangers of arch bridges or cables of guyed-masts, show a circular cross section and low damping. These rain-wind induced vibrations negatively affect the serviceability and the lifespan of the structures. The present article gives a short literature review, describes a mathematical approach for the simulation of rain-wind induced vibrations, sums up some examples to verify the calculated results and discusses measures to suppress the vibrations.
Wind tunnel experiments are often performed for the identification of aeroelastic parameters known as flutter derivatives that are necessary for the prediction of flutter instability for flexible structures. Experimental determination of all the eighteen flutter derivatives for a section model facilitates complete understanding of the physical mechanism of flutter. However, work in the field of identifying all the eighteen flutter derivatives using section models with all three degree-of-freedom (DOF) has been limited. In the current paper, all eighteen flutter derivatives for a streamlined bridge deck and an airfoil section model were identified by using a new system identification technique, namely, Iterative Least Squares (ILS) approach. Flutter derivatives of the current bridge and the Tsurumi bridge are compared. Flutter derivatives related to the lateral DOF have been emphasized. Pseudo-steady theory for predicting some of the flutter derivatives is verified by comparing with experimental data. The three-DOF suspension system and the electromagnetic system for providing the initial conditions for free-vibration of the section model are also discussed.
Flexible stay cables on cable-stayed bridges are three-dimensional. They sag and flex in the complex wind environment, which is a different situation to ideal rigid cylinders in two-dimensional wind flow. Aerodynamic interference and the response characteristics of wake galloping of full-scale parallel cables are potentially different due to three-dimensional flows around cables. This study presents a comprehensive wind tunnel investigation of wake galloping of parallel stay cables using three-dimensional aeroelastic cable models. The wind tunnel study focuses on the large spacing instability range, addressing the effects of cable separation, wind yaw angle, and wind angle of attack on wake galloping response. To investigate the effectiveness of vibration suppression measures, wind tunnel studies on the transversely connected cable systems for two types of connections (flexibility and rigidity) at two positions (mid-span and quarter-span) were also conducted. This experimental study provides useful insights for better understanding the characteristics of wake galloping that will help in establishing a guideline for the wind-resistant design of the cable system on cable-stayed bridges.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.6
no.1
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pp.17-26
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2005
An optical phase tracking technique for an extrinsic Fabry-Perot interferometer (EFPI) is proposed in order to overcome interferometric non-linearity. Basic idea is utilizing strain-rate information, which cannot be easily obtained from an EFPI sensor itself. The proposed phase tracking system consists of a patch-type EFPI sensor and a simple on-line phase tracking logic. The patch-type EFPI sensor comprises an EFPI and a piezoelectric patch. An EFPI sensor itself has non-linear behavior due to the interferometric characteristics, and a piezoelectric material has hysteresis. However, the composed patch-type EFPI sensor system overcomes the problems that can arise when they are used individually. The dynamic characteristics of the proposed phase tracking system were investigated, and then the patch-type EFPI sensor system was applied to the active suppression of flutter, dynamic aeroelastic instability, of a swept-back composite plate structure. The proposed system has effectively reduced the amplitude of the flutter mode, and increased flutter speed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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