A new algorithm is proposed to determine optimal accelerometer locations (OAL) when a structure is identified by frequency domain system identification (SI) method. As a result, a guideline is presented for selecting OAL which can reflect modal response of a structure properly. The guideline is to provide a minimum number of necessary accelerometers with the variation in the number of measurable target modes. To determine OAL for SI applications effectively, the modal sensitivity effective independence distribution vector (MS-EIDV) is developed with the likelihood function of measurements. By maximizing the likelihood of the occurrence of the measurements relative to the predictions, Fisher Information Matrix (FIM) is derived as a function of mode shape sensitivity. This paper also proposes a statistical approach in determining the structural parameters with a presumed parameter error which reflects the epistemic paradox between the determination of OAL and the application of a SI scheme. Numerical simulations have been carried out to examine the proposed OAL algorithm. A two-span multi-girder bridge and a two-span truss bridge were used for the simulation studies. To overcome a rank deficiency frequently occurred in inverting a FIM, the singular value decomposition scheme has been applied.
This paper presents experimental modal analysis and static load testing results to validate the accuracy of dynamic parameters-based damage locating indices in RC structures. The study investigates the accuracy of different dynamic-based damage locating indices compared to observed crack patterns from static load tests and how different damage levels and scenarios impact them. The damage locating indices based on mode shape curvature and mode shape fourth derivate in their original forms were found to show anomalies along the beam length and at the supports. The modified forms of these indices show higher sensitivity in locating single and multi-cracks at different damage scenarios. The proposed stiffness reduction index shows good sensitivity in detecting single and multi-cracks. The proposed anomalies elimination procedure helps to remove the anomalies along the beam length. Also, the adoption of the proposed weighting method averaging procedure and normalization procedure help to draw the overall crack pattern based on the adopted set of modes.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.159-166
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2001
Structural optimization often requires the evaluation of design sensitivities. The Semi Aanalytic method(SAM) for computing sensitivity is popular in shape optimization because this method has several advantages. But when relatively large rigid body motions are identified for individual elements, the SA method shows severe inaccuracy. In this paper, the improvement of design sensitivities corresponding to the rigid body mode is evaluated by exact differentiation of the rigid body modes. Moreover, the error of the SA method caused by numerical difference scheme is alleviated by using a series approximation for the sensitivity derivatives and considering the higher order terms. Finally, this paper shows that the refined SA method including the iterative method improves the results of sensitivity analysis in dynamic problems.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1996.10a
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pp.138-146
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1996
The presence of a damage, such as a crack, in a structure increases the flexibility and damping in the structure. Most of methods to detect damage or damage location uses stiffness matrix of the structural system. The modification of stiffness matrix, however, has complicated procedures to identify structural. system in the basis of finite element model and has too many degree of freedom to calculate. Identification of changes of flexibility of structure can offer damage information immediately and simple procedure can employ real time continuous monitoring system. To identify changes of the flexibility, vibration mode shapes and natural frequencies are usually used. In this paper, a procedure for damage location in continuous girder bridges using vibration data is described. The effectiveness and sensitivity of the presented method to measurement errors in mode shapes and natural frequencies are investigated using analytical results from finite element models. It is shown that the errors in the first mode shape and first natural frequency demonstrate much larger influence than those in the higher mode shapes and modal frequencies.
A new method of multiple damage detection in beam like structures is introduced. The mode shapes of both healthy and damaged structures are used in damage detection process (DDP). Multiple Damage Localization Index Based on Mode Shapes (MDLIBMS) is presented as a criterion in detecting damaged elements. A finite element modeling of structures is used to calculate the mode shapes parameters. The main advantages of the proposed method are its simplicity, flexibility on the number of elements and so the accuracy of the damage(s) position(s), sensitivity to small damage extend, capability in prediction of required number of mode shapes and low sensitivity to noisy data. In fact, because of differential and comparative form of MDLIBMS, using noise polluted data doesn't have major effect on the results. This makes the proposed method a powerful one in damage detection according to measured mode shape data. Because of its flexibility, damage detection process in multi span bridge girders with non-prismatic sections can be done by this method. Numerical simulations used to demonstrate these advantages.
A mathematical methodology is proposed for designing nozzle hole shapes producing controlled geometric cavitation. The proposed methodology uses an unstructured RANS flow solver, with the ability to compute sensitivity derivatives via an adjoint algorithm. The adjoint formulation for the N-S equations is presented while variation of the turbulence viscosity is not taken into account during the geometry modifications. The sensitivities are calculated in a mode independently of the shape parameterisation. The method is used to develop and evaluate conceptual shapes for nozzle hole cavitation reduction. The localized region at the hole inlet producing cavitation, is parameterised using its radius of curvature, while a cost function is formulated to eliminate the negative pressures present at this location. Sensitivity derivatives are used to assess the dependence of the localized region on the minimum pressure, and to drive the geometry to the targeted shape. The results show that the computer model can provide nozzle hole entry shapes that produce predefined flow characteristics, and thus can be used as an inverse design tool for nozzle hole cavitation control.
Shakouri, Meisam;Spagnoli, Andrea;Kouchakzadeh, M.A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.60
no.3
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pp.365-386
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2016
This paper describes a systematic numerical investigation into the nonlinear elastic behavior of conical shells, with various types of initial imperfections, subject to a uniformly distributed axial compression. Three different patterns of imperfections, including first axisymmetric linear bifurcation mode, first non-axisymmetric linear bifurcation mode, and weld depression are studied using geometrically nonlinear finite element analysis. Effects of each imperfection shape and tapering angle on imperfection sensitivity curves are investigated and the lower bound curve is determined. Finally, an empirical lower bound relation is proposed for hand calculation in the buckling design of conical shells.
Damage detection based on measured vibration data has received intensive studies recently. Frequently, the damage to a structure may be reflected by a change of some system parameters, such as a degradation of the stiffness. In this paper, we apply a method to nondestructively locate and estimate the severity of damage in corrosion pipeline for which a few natural frequencies or mode shapes are available. The method is based on the strain modal sensitivity ratio (SMSR) and the orthogonality conditions sensitivities (OCS) applied to vibration features identified during the monitoring of the pipeline. The advantage of these methods is that it only requires measuring few modal parameters. The SMSR-based and OCS-based damage detection methods are illustrated using computer-simulated and laboratory testing data. The results show that the current method provides a precise indication of both the location and the extent of corrosion pipeline.
Structural optimization often require the evaluation of design sensitivities. The Semi Analytic method(SAM) is popular for shape optimization because this method has several advantages. But when relatively large rigid body motions are identified for individual elements, the SA method shows severe inaccuracy. In this paper, the improvement of design sensitivities corresponding to the rigid body mode is evaluated by exact differentiation of the rigid body modes. Moreover, the error of the SA method caused by numerical difference scheme is alleviated by using a series approximation for the sensitivity derivatives and considering the higher order terms.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.10
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pp.1092-1098
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2009
The squeal propensity of an automotive disc brake system is studied in the theoretical and computational manner. The rotating disc is in contact with two stationary pads and the nonlinear friction is engaged on the contact surface. The friction-coupled equations of motion are derived in the finite element(FE) of the actual brake disc and pad. From the general definition of friction force, the rotation and in-plane mode effects can be included properly in the brake squeal model. The eigenvalue sensitivity analysis and the mode shape visualization at squeal frequencies are also conducted for the detailed investigation. It is found that the squeal propensity is strongly influenced by rotation effect and the in-plane mode can be involved in squeal generation.
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