International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.7
no.1
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pp.106-117
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2006
The active vibration control of composite shell structure has been performed with the optimized sensor/actuator system. For the design of sensor/actuator system, a method based on finite element technique is developed. The nine-node Mindlin shell element has been used for modeling the integrated system of laminated composite shell with PVDF sensor/actuator. The distributed selective modal sensor/actuator system is established to prevent the effect of spillover. Electrode patterns and lamination angles of sensor/actuator are optimized using genetic algorithm. Continuous electrode patterns are discretized according to finite element mesh, and orientation angle is encoded into discrete values using binary string. Sensor is designed to minimize the observation spillover, and actuator is designed to minimize the system energy of the control modes under a given initial condition. Modal sensor/actuator for the first and the second mode vibration control of singly curved cantilevered composite shell structure are designed with the method developed on the finite element method and optimization. For verification, the experimental test of the active vibration control is performed for the composite shell structure. Discrete LQG method is used as a control law.
Inglessis, Pether;Medina, Samuel;Lopez, Alexis;Febres, Rafael;Florez-Lopez, Julio
Steel and Composite Structures
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v.2
no.1
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pp.21-34
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2002
A model of the process of local buckling in tubular steel structural elements is presented. It is assumed that this degrading phenomenon can be lumped at plastic hinges. The model is therefore based on the concept of plastic hinge combined with the methods of continuum damage mechanics. The state of this new kind of inelastic hinge is characterized by two internal variables: the plastic rotation and the damage. The model is valid if only one local buckling appears in the plastic hinge region; for instance, in the case of framed structures subjected to monotonic loadings. Based on this damage model, a new finite element that can describe the development of local buckling is proposed. The element is the assemblage of an elastic beamcolumn and two inelastic hinges at its ends. The stiffness matrix, that depends on the level of damage, the yielding function and the damage evolution law of the two hinges define the new finite element. In order to verify model and finite element, several small-scale frames were tested in laboratory under monotonic loading. A lateral load at the top of the frame was applied in a stroke-controlled mode until local buckling appears and develops in several locations of the frame and its ultimate capacity was reached. These tests were simulated with the new finite element and comparison between model and test is presented and discussed.
In order to reduce vibration or to control shape of structures made of metal or composites, piezoelectric materials have been extensively used since their discovery in 1880's. A recent trend is also seen to apply piezoelectric materials to flexible structures made of rubber-like materials. In this paper a non-linear finite element model using updated Lagrangian (UL) approach has been developed for static analysis of rubber-elastic material with surface-bonded piezoelectric patches. A compressible stain energy function has been used for modeling the rubber as hyperelastic material. For formulation of the nonlinear finite element model a twenty-node brick element is used. Four degrees of freedom u, v and w and electrical potential ${\varphi}$ per node are considered as the field variables. PVDF (polyvinylidene fluoride) patches are applied as sensors/actuators or sensors and actuators. The present model has been applied to bimorph PVDF cantilever beam to validate the formulation. It is then applied to study the smart rubber components under different boundary and loading conditions. The results predicted by the present formulation are compared with the analytical solutions as well as the available published results. Some results are given as new ones as no published solutions available in the literatures to the best of the authors' knowledge.
The key issue for the finite element analysis (FEA) of section steel reinforced concrete (SRC) structure is how to consider the bond-slip performance. However, the bond-slip performance is hardly considered in the FEA of SRC structures because it is difficult to achieve in the finite element (FE) model. To this end, the software developed by Python can automatically add spring elements for the FE model in ABAQUS to considering bond-slip performance. The FE models of the push-out test were conducted by the software and calculated by ABAQUS. Comparing the calculated results with the experimental ones showed that: (1) the FE model of SRC structure with the bond-slip performance can be efficiently and accurately conducted by the software. For the specimen with a length of 1140 mm, 3565 spring elements were added to the FE model in just 6.46s. In addition, different bond-slip performance can also be set on the outer side, the inner side of the flange and the web. (2) The results of the FE analysis were verified against the corresponding experimental results in terms of the law of the occurrence and development of concrete cracks, the stress distribution on steel, concrete and steel bar, and the P-S curve of the loading and free end.
A p-version of the finite element method in conjunction with the modeling dynamic method using the arc-length stretch deformation is considered to determine the bending natural frequencies of a cantilever flexible plate mounted on the periphery of a rotating hub. The plate Fourier p-element is used to set up the linear equations of motion. The transverse displacements are formulated in terms of cubic polynomials functions used generally in FEM plus a variable number of trigonometric shapes functions representing the internals DOF for the plate element. Trigonometric enriched stiffness, mass and centrifugal stiffness matrices are derived using symbolic computation. The convergence properties of the rotating plate Fourier p-element proposed and the results are in good agreement with the work of other investigators. From the results of the computation, the influences of rotating speed, aspect ratio, Poisson's ratio and the hub radius on the natural frequencies are investigated.
FEMAXI-ATF is being developed for fuel performance modeling of SiC cladded UO2 fuel with focuses on modeling pellet-cladding mechanical interactions (PCMI). The code considers probability distributions of mechanical strengths of monolithic SiC (mSiC) and SiC fiber reinforced SiC matrix composite (SiC/SiC), while it models pseudo-ductility of SiC/SiC and propagation of cladding failures across the wall thickness direction in deterministic manner without explicitly modeling cracks based on finite element method in one-dimensional geometry. Some hypothetical BWR power ramp conditions were used to test sensitivities of different model parameters on the analyzed PCMI behavior. The results showed that propagation of the cladding failure could be modeled by appropriately reducing modulus of elasticities of the failed wall element, so that the mechanical load of the failed element could be re-distributed to other intact elements. The probability threshold for determination of the wall element failure did not have large influence on the predicted power at failure when the threshold was varied between 25 % and 75 %. The current study is still limited with respect to mechanistic modeling of SiC failure as it only models the propagation of the cladding wall element failure across the homogeneous continuum wall without considering generations and propagations of cracks.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.12
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pp.1347-1355
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2009
This paper demonstrates the validity of spectral element analysis for modeling the high-frequency dynamic behaviors of a beam with a surface-bonded piezoelectric wafer through a laboratory test. In the spectral element analysis, the high-frequency electro-mechanical interaction can be considered properly with relatively low computational cost compared to the finite element analysis. In the verification test, a cantilever beam with a surface-bonded piezoelectric wafer is forced to be in steady-state motion by exerting the harmonic driving voltage signal on the piezoelectric wafer. A laser scanning vibrometer is used to obtain the overall dynamic responses of the structure such as resonance frequencies, the associated mode shapes, and frequency response functions up to 20 kHz. Then, these dynamic responses from the test are compared to those computed by the spectral element analysis. A two-dimensional finite analysis is conducted to obtain the asymptotic solutions for the comparison purpose as well.
In the stability and sensitivity design and diagnosis approaches, there are various methodologies available. Bond graph modeling by lumping technique is one of the universal methodologies in methodical analysis used by many researchers in all over the world. The accuracy of the method is validated in different arenas. Bond graphs are a concise, pictorial representation of the energy storage, dissipation and exchange mechanisms of interacting dynamic systems, subsystems and components. This paper proposes a bond graph modeling for distributed parameter systems using lumping techniques. Therefore, a steel frame structure was modeled to analyze employing bond graph modeling of distributed system using lumping technique. In the analytical part, the effectiveness of bond graphs to model this system is demonstrated. The dynamic responses of the system were computed and compared with those computed from the finite element analysis. The calculated maximum deflection time histories were found to be comparable. The sensitivity and the stability of the steel frame structure was also studied in different aspects. Thus, the proposed methodology, with its simplicity, can be used for stability and sensitivity analyses as alternative to finite element method for steel structures. The major value brought in the practical design is the simplicity of the proposed method for steel structures.
With the increase of the production of energy from renewable, it becomes important to look at techniques to store this energy. Therefore, a single winding bearingless flywheel motor (SWBFM) specially for flywheel energy storage system is introduced. For the control system of SWBFM, coupling between the torque and the suspension subsystems exists inevitably. It is necessary to build a reasonable radial force mathematical model to precisely control SWBFM. However, SWBFM has twelve independently controlled windings which leads to high-order matrix transformation and complex differential calculation in the process of mathematical modeling based on virtual displacement method. In this frame, a Maxwell tensor modeling method which is no need the detailed derivation and complex theoretical computation is present. Moreover, it possesses advantages of universality, accuracy, and directness. The fringing magnetic path is improved from straight and circular lines to elliptical line and the rationality of elliptical line is verified by virtual displacement theory according to electromagnetic torque characteristics. A correction function is taken to increase the model accuracy based on finite element analysis. Simulation and experimental results show that the control system of SWBFM with radial force mathematical model based on Maxwell tensor method is feasible and has high precision.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.30
no.3
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pp.90-99
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1993
As the finite element method has become a considerable and effective design tool in ship structural analysis, modeling of three dimensional finite element mesh is more necessary than before. However, the unique style and complexity of a ship usually make the modeling be hard and costly. Although most pre-processor of FEM software and geometric modeler provides modeling function, the capability is quite limited for complicated structure. In order to perform FEM modeling quickly, it is necessary to extract, rearrange, and formalize data from ship design database for partially automatic mesh generation. In this paper, the process of designing relational data tables from design data is shown as a part of analysis automation with the application of engineering database concept.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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