Kim, Byoung Wan;Hong, Sa Young;Sung, Hong Gun;Hong, Seok Won
Ocean Systems Engineering
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v.5
no.3
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pp.221-243
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2015
This paper compares simplified and finite element method (FEM) models for tower and blade in dynamic coupled analysis of floating wind turbine. A SPAR type wind turbine with catenary mooring lines is considered in numerical analysis. Floating body equation is derived using boundary element method (BEM) and convolution. Equations for mooring line, tower and blade are formulated with theories of catenary, elastic beam and aerodynamic rotating beam, respectively and FEM is applied in the formulation. By combining the equations, coupled solutions are calculated. Tower or blade may be assumed rigid or lumped body for simplicity in modeling. By comparing floating body motions, mooring line tensions and tower stresses with the simple model and original FEM model, the effect of including or neglecting elastic, rotating and aerodynamic behavior of tower and blade is discussed.
Among nondestructive damage detection methods, impedance-based methods have been recognized as an effective technique for damage identification in many kinds of structures. This paper proposes a method to detect cracks in metal structures by combining electro-mechanical impedance (EMI) responses and artificial neural networks (ANN). Firstly, the theories of EMI responses and impedance-based damage detection methods are described. Secondly, the reliability of numerical simulations for impedance responses is demonstrated by comparing to pre-published results for an aluminum beam. Thirdly, the proposed method is used to detect cracks in the beam. The RMSD (root mean square deviation) index is used to alarm the occurrence of the cracks, and the multi-layer perceptron (MLP) ANN is employed to identify the location and size of the cracks. The selection of the effective frequency range is also investigated. The analysis results reveal that the proposed method accurately detects the cracks' occurrence, location, and size in metal structures.
This paper examines the dynamic response of rotating nanodevices under the external harmonic load. The spinning nanosystem is made of nanoscale tubes that rotate around the central nanomotor and is mathematically modeled via high-order beam theory as well as nonclassical nonlocal theory for the size impact. According to the Hamilton principle, the dynamic motion equations are derived, then the time-dependent results are obtained using the Newmark Beta technique along with the generalized differential quadratic method. The presented results are discussed dynamic deflection, resonant frequency, and natural frequency in response to the different applicable parameters, which help develop and produce nanoelectromechanical systems (NEMS) for various applications.
Juncheng Fan;Qinyang Li;Sami Muhsen;H. Elhosiny Ali
Computers and Concrete
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v.31
no.2
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pp.139-149
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2023
This article investigates the statically analysis regarding the thermal buckling behavior of a nonuniform small-scale nanobeam made of functionally graded material based on classic beam theories along with the nonlocal Eringen elasticity. The material distribution of functionally graded structures is composed of temperature-dependent ceramic and metal phases in axial and thickness directions, called two-dimensional functionally graded (2D-FG). The partial differential (PD) formulations and end conditions are extracted by using to the conservation energy method. The porosity voids are assumed in the nonuniform functionally graded (FG) structure. The thermal loads are in the axial direction of the beam. The extracted nonlocal PD equations are also solved by employing generalized differential quadrature method (GDQM). Last but not least, the information acquired is used to produce miniature sensors, providing a unique perspective on the growth of nanoelectromechanical systems (NEMS).
Rahmani, Omid;Deyhim, Soroush;Hosseini, S. Amir Hossein
Steel and Composite Structures
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v.27
no.3
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pp.371-388
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2018
In this paper, a new model based on nonlocal high order theory is proposed to study the size effect on the bending of nano-sandwich beams with a compliance core. In this model, in contrast to most of the available sandwich theories, no prior assumptions are made with respect to the displacement field in the core. Herein the displacement and the stress fields of the core are obtained through an elasticity solution. Equations of motion and boundary conditions for nano-sandwich beam are derived by using Hamilton's principle and an analytical solution is presented for simply supported nano-sandwich beam. The results are validated with previous studies in the literature. These results can be utilized in the study of nano-sensors and nano-actuators. The effect of nonlocal parameter, Young's modulus of the core and aspect ratio on the deflection of the nano-sandwich beam is investigated. It is concluded that by including the small-scale effects, the deflection of the skins is increased and by increasing the nonlocal parameter, the influence of small-scale effects on the deflections is increased.
The beam structure with breathing cracks subjected to harmonic excitations was modeled by FEM based on Euler-Bernoulli theory, and a piecewise dynamical system was deduced. The precise integration method (PIM) was employed to propose an algorithm for analyzing the dynamic responses of the deduced system. This system was first divided into linear sub-systems, between which there are switching points resulted from the breathing cracks. The inhomogeneous terms due to the external excitations were tackled by introducing auxiliary variables to express the harmonic functions, hence the sub-systems are homogeneous. The PIM was then applied to solve the homogeneous sub-systems one by one. During the procedures, a predictor-corrector algorithm was presented to determine the switching points accurately. The presented method can provide solutions with an accuracy to a magnitude of $10^{-12}$ compared with exact solutions obtained by the theories of ordinary differential equations. The PIM results are much more accurate than Newmark ones with the same time step. Moreover, it is found that the PIM can maintain a high level of accuracy even when the time step increases within a relatively wide range.
In this article, the static behavior of non-prismatic sandwich beams composed of functionally graded (FG) materials is investigated for the first time. Two types of beams in which the variation of elastic modulus follows a power-law form are studied. The principle of minimum total potential energy is applied along with the Ritz method to derive and solve the governing equations. Considering conventional boundary conditions, Chebyshev polynomials of the first kind are used as auxiliary shape functions. The formulation is developed within the framework of well-known Timoshenko and Reddy beam theories (TBT, RBT). Since the beams are simultaneously tapered and functionally graded, bending and shear stress pushover curves are presented to get a profound insight into the variation of stresses along the beam. The proposed formulations and solution scheme are verified through benchmark problems. In this context, excellent agreement is observed. Numerical results are included considering beams with various cross sectional types to inspect the effects of taper ratio and gradient index on deflections and stresses. It is observed that the boundary conditions, taper ratio, gradient index value and core to the thickness ratio significantly influence the stress and deflection responses.
This work presents a new nonlocal hyperbolic shear deformation beam theory for the static, buckling and vibration of nanoscale-beams embedded in an elastic medium. The present model is able to capture both the nonlocal parameter and the shear deformation effect without employing shear correction factor. The nonlocal parameter accounts for the small size effects when dealing with nanosize structures such as nanobeams. Based on the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion of the nanoscale-beam are obtained using Hamilton's principle. The effect of the surrounding elastic medium on the deflections, critical buckling loads and frequencies of the nanobeam is investigated. Both Winkler-type and Pasternak-type foundation models are used to simulate the interaction of the nanobeam with the surrounding elastic medium. Analytical solutions are presented for a simply supported nanoscale-beam, and the obtained results compare well with those predicted by the other nonlocal theories available in literature.
This paper presents two methods for designing a high-speed air spindle operated over the rotational speed of 50,000 rpm. The first method is an approximate method, which assumes a symmetric spindle shape even though it is not symmetric in reality. The second is an analysis of rotordynamics using beam and solid models. The approximate method can be used to calculate the bearing load capacities, stiffness and damping coefficients, stability of the shaft system, and response of the forced excitation from the unbalanced mass. Designers can use this method to determine the dimensions of the desired spindle at the first stage of the design. The more detailed behavior of the spindle can be calculated using the rotordynamics theory using beam and solid models based on the Finite Element Method. In this paper, a spindle, with two air bearings, one motor at the end, and two air thrust bearings, is newly developed. The solutions from the two rotordynamics theories are compared with the solution obtained using the approximate method. The three calculations are in agreement, and the procedure for the design of a spindle system, supported on the externally pressurized air bearings, ispresented and discussed.
The influence of prestress force on the fundamental frequency and static deflection shape of uncracked Prestressed Concrete (PC) beams with a parabolic bonded tendon was examined in this paper. Due to the conflicts among existing theories, the analytical solutions for properly considering the dynamic and static behavior of these members is not straightforward. A series of experiments were conducted for a total period of approximately 2.5 months on a PC beam made with high strength concrete, subsequently and closely to the 28 days of age of concrete. Specifically, the simply supported PC member was short term subjected to free transverse vibration and three-point bending tests during its early-age. Subsequently, the experimental data were compared with a model that describes the dynamic behavior of PC girders as a combination of two substructures interconnected, i.e., a compressed Euler-Bernoulli beam and a tensioned parabolic cable. It was established that the fundamental frequency of uncracked PC beams with a parabolic bonded tendon is sensitive to the variation of the initial elastic modulus of concrete in the early-age curing. Furthermore, the small variation in experimental frequency with time makes doubtful its use in inverse problem identifications. Conversely, the relationship between prestress force and static deflection shape is well described by the magnification factor formula of the "compression-softening" theory by assuming the variation of the chord elastic modulus of concrete with time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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