Complex and large lattice type structures are frequently used in design of bridge, tower, crane and aerospace structures. In general, in order to analyze these structures we have used the finite element method(FEM). This method is the most widely used and powerful tool for structural analysis. However, it is necessary to use a large amount of computer memory and computation time because the FEM resuires many degrees of freedom for solving dynamic problems exactly for these complex and large structures. For overcoming this problem, the authors developed the transfer stiffness coefficient method(TSCM). This method is based on the concept of the transfer of the nodal dynamic stiffness coefficient which is related to force and displacement vector at each node. In this paper, the authors formulate vibration analysis algorithm for a complex and large lattice type structure using the transfer of the nodal dynamic stiffness coefficient. And we confirmed the validity of TSCM through numerical computational and experimental results for a lattice type structure.
Derivation procedures of exact dynamic stiffness matrices of thin-walled curved beams subjected to axial forces are rigorously presented for the spatial free vibration analysis. An exact dynamic stiffness matrix is established from governing equations for a uniform curved beam element with nonsymmetric thin-walled cross section. Firstly this numerical technique is accomplished via a generalized linear eigenvalue problem by introducing 14 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. Thus, displacement functions of dispalcement parameters are exactly derived and finally exact stiffness matrices are determined using element force-displacement relationships. The natural frequencies of the nonsymmetric thin-walled curved beam are evaluated and compared with analytical solutions or results by ABAQUS's shell elements in order to demonstrate the validity of this study.
Complex structures are usually assembled from several substructures with joints connecting them together. These joints have significant effects on the dynamic behavior of the assembled structure and must be accurately modeled. In structural analysis, these joints are often simplified by assuming ideal boundary conditions. However, the dynamic behavior predicted on the basis of the simplified model may have significant errors. This has prompted the researchers to include the effect of joint stiffness in the structural model and to estimate the stiffness parameters using inverse dynamics. In the present work, structural joints have been modeled as a pair of translational and rotational springs and frequency equation of the overall system has been developed using sub-structure synthesis. It is shown that using first few natural frequencies of the system, one can obtain a set of over-determined system of equations involving the unknown stiffness parameters. Method of multi-linear regression is then applied to obtain the best estimate of the unknown stiffness parameters. The estimation procedure has been developed for a two parameter joint stiffness matrix.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.16
no.11
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pp.55-61
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1999
The torsional and axial vibrations of shaft system have been calculated independently because of both the limitation of computing time and the complexity of crankshaft model. In actual system, however, the torsional and axial vibrations are coupled. Therefore, in recent, many works in the coupled vibration analysis have been done to find out the more exact dynamic behavior of shaft system. The crankshaft model is very important in the vibration analysis of shaft system because most of excitation forces act on the crankshaft. It is, however, difficult to establish an exact model of crankshaft since its shape is very complex. In this work, an efficient method is proposed to construct the stiffness matrix of crankshaft using a finite element model of half crankthrow. The proposed and existing methods are compared by applying to both a simple thick beam with circular cross section and an actual crankshaft.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.3
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pp.3-10
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2018
It's not practical to collect all information at the entire degrees of freedom of finite element model. The incomplete measurements should be expanded for subsequent analysis and damage detection. This work presents the analytical methods to expand the incomplete static or dynamic response data. Using the expanded data, introducing the concept of residual force, and minimizing the performance index expressed as the stiffness matrix and its difference before and after damage, the variation in stiffness matrix is derived. Based on the difference in the stiffness matrix, the damage detection method of structures is also provided. The validity of the proposed methods is illustrated in a numerical application, the numerical results are analyzed for applications, and the applicability of both methods is investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.12
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pp.3007-3019
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1993
For the same configuration, the stiffness of 6-node two dimensional isoparametric is stiffer than that of 8-node two dimensional isoparametric element. This phenomenon may be called 'Relative Stiffness Stiffening Phenomenon.' In this paper, the relative stiffness stiffening phenomenon was studied, and could be corrected by modifying the position of Gauss integral points used in the numerical integration of the stiffness matrix. For the same deformation (bending) energy of 6-node and 8-node two dimensional isoparametric elements, Gauss integral points of 6-node element have to move closer, in comparison with those of 8-node element, in the case of numerical integration along the thickness direction.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.291-300
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1998
This paper demonstrates how ambient vibration measurements at a limited number of locations can be effectively utilized to estimate parameters of a finite element model of a large-scale structural system involving a large number of elements. System identification using ambient vibration measurements presents a challenge requiring the use of special identification techniques, which ran deal with very small magnitudes of ambient vibration contaminated by noise without the knowledge of input farces. In the present study, the modal parameters such as natural frequencies, damping ratios, and mode shapes of the structural system were estimated by means of appropriate system identification techniques including the random decrement method. Moreover, estimation of parameters such as the stiffness matrix of the finite element model from the system response measured by a limited number of sensors is another challenge. In this study, the system stiffness matrix was estimated by using the quadratic optimization involving the computed and measured modal strain energy of the system, with the aid of a sensitivity relationship between each element stiffness and the modal parameters established by the second order inverse modal perturbation theory. The finite element models thus identified represent the actual structural system very well, as their calculated dynamic characteristics satisfactorily matched the observed ones from the ambient vibration test performed on a large-scale structural system subjected primarily to ambient wind excitations. The dynamic models identified by this study will be used for design of an active mass damper system to be installed on this structure fer suppressing its wind vibration.
The present study is concerned with the application of dynamic relaxation method in the investigation of the large deflection behavior of spatial structures. The dynamic relaxation do not require the computation or formulation of any tangent stiffness matrix. The convergence to the solution is achieved by using only vectorial quantities and no stiffness matrix is required in its overall assembled form. In an effort to evaluate the merits of the methods, extensive numerical studies were carried out on a number of selected structural systems. The advantages of using dynamic relaxation methods, in tracing the post-buckling behavior of spatial structures, are demonstrated.
An improved finite element-transfer matrix method is applied to the transient analysis of plates with large displacement under various excitations. In the present method, the transfer of state vectors from left to right in a combined finite element-transfer matrix method is changed into the transfer of generally incremental stiffness equations of every section from left to right. Furthermore, in this method, the propagation of round-off errors occurring in recursive multiplications of transfer and point matrices is avoided. The Newmark-${\beta}$ method is employed for time integration and the modified Newton-Raphson method for equilibrium iteration in each time step. An ITNONDL-W program based on this method using the IBM-PC/AT microcomputer is developed. Finally numerical examples are presented to demonstrate the accuracy as well as the potential of the proposed method for dynamic large deflection analysis of plates with random boundaries under various excitations.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.11a
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pp.421-424
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2004
Model updating is a very active research field, in which significant efforts has been invested in recent years. Model updating methodologies are invariably successful when used on noise-free simulated data, but tend to be unpredictable when presented with real experimental data that are-unavoidably-corrupted with uncorrelated noise content. In this paper, Reanalysis using frequency response functions for correlating and updating dynamic systems is presented. A transformation matrix is obtained from the relationship between the complex and the normal frequency response functions of a structure. The transformation matrix is employed to calculate the modified damping matrix of the system. The modified mass and stiffness matrices are identified from the normal frequency response functions by using the least squares method. Full scale pseudo dynamic pier test is employed to illustrate the applicability of the proposed method. The result indicate that the damping matrix of correlated finite element model can be identified accurately by the proposed method. In addition, the robustness of the new approach uniformly distributed measurement noise is also addressed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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