The aim of this paper concerns with the nonlinear analysis of cable-stayed bridges including the vibration effect of cable stays. Two models for the cable stay system are built up in the study. One is the OECS (one element cable system) model in which one single element per cable stay is used and the other is MECS (multi-elements cable system) model, where multi-elements per cable stay are used. A finite element computation procedure has been set up for the nonlinear analysis of such kind of structures. For shape finding of the cable-stayed bridge with MECS model, an efficient computation procedure is presented by using the two-loop iteration method (equilibrium iteration and shape iteration) with help of the catenary function method to discretize each single cable stay. After the convergent initial shape of the bridge is found, further analysis can then be performed. The structural behaviors of cable-stayed bridges influenced by the cable lateral motion will be examined here detailedly, such as the static deflection, the natural frequencies and modes, and the dynamic responses induced by seismic loading. The results show that the MECS model offers the real shape of cable stays in the initial shape, and all the natural frequencies and modes of the bridge including global modes and local modes. The global mode of the bridge consists of coupled girder, tower and cable stays motion and is a coupled mode, while the local mode exhibits only the motion of cable stays and is uncoupled with girder and tower. The OECS model can only offers global mode of tower and girder without any motion of cable stays, because each cable stay is represented by a single straight cable (or truss) element. In the nonlinear seismic analysis, only the MECS model can offer the lateral displacement response of cable stays and the axial force variation in cable stays. The responses of towers and girders of the bridge determined by both OECS- and MECS-models have no great difference.
Large space structures may have resonant low eigenvalues and often these appear with closely-spaced natural frequencies. Owing to the coupling among modes with closely-spaced natural frequencies, each eigenvector corresponding to closely-spaced eigenvalues is ill-conditioned that may cause structural instability. The subspace to an invariant subspace corresponding to closely-spaced eigenvalues is well-conditioned, so a method is presented to design the feedback control law of intelligent structures with closely-spaced eigenvalues in this paper. The main steps are as follows: firstly, the system with closely-spaced eigenvalues is transformed into that with repeated eigenvalues by the spectral decomposition method; secondly, the computation for the linear combination of eigenvectors corresponding to repeated eigenvalues is obtained; thirdly, the feedback control law is designed on the basis of the system with repeated eigenvalues; fourthly, the system with closely-spaced eigenvalues is regarded as perturbed system on the basis of the system with repeated eigenvalues; finally, the feedback control law is applied to the original system, the first order perturbations of eigenvalues are discussed when the parameter modifications of the system are introduced. Numerical examples are given to demonstrate the application of the present method.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제16권2호
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pp.206-222
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2015
This work uses different finite element approaches to the free vibration analysis of reinforced shell structures, and a simplified model of a typical launcher with two boosters is used as an example. The results obtained using a refined one-dimensional (1D) beam model are compared to those obtained with commercial finite element software. The 1D models that are used in the present work are based on the Carrera Unified Formulation (CUF), which assumes a variable kinematic displacement field over the cross-sections of the beam. Two different sets of polynomials that correspond to Taylor (TE) or Lagrange (LE) expansions were used. The analyses focused on three reinforced structures: a stiffened panel, a reinforced cylinder and the complete structure of the launcher. The frequencies and natural modes obtained using one-dimensional models are compared to those obtained from classical finite element analysis. The classical FE models were built using a beam-shell or solid elements, and the results indicate that the refined beam models can in fact be used to investigate the behavior of very complex reinforced structures. These models can predict the shell-like modes that are typical of thin-walled structures that cannot be detected using classical beam models. The refined 1D models used in the present work provide results that are as accurate as those from solid FE models, but the 1D models have a much lower computational cost.
본 논문에서는 개선된 감절점(degenerated) 쉘 유한요소의 복합적충을 갖는 쉘구조에의 적용성을 고찰하였다. 본 논문의 개선된 쉘 요소는 shear locking 해결에 우수한 결과를 보인 가정된 전단변형도를 대치사용하고, membrane locking 현상을 제거하기 위해 평면내 변형도의 구성시 감차적분을 행하며, 쉘요소 자체의 거동을 보완하기 위해 비적합변위형을 선택적으로 추가하였다. 본 요소는 shear/membrane locking이 발생하지 않으며, 전달가능한 거짓 영에너지모드도 나타나지 않는다. 유한변형을 고려한 기하학적 비선형 방정식을 total Lagrangian 수식화를 시용하여 정형화 하였고, 비선형 수치해석은 Newton-Raphson 반복법으로 반복 계산한다. 여러 예제해석을 통하여 본 개선된 쉘 유한요소의 유용성과 정확도를 고찰하였다.
이 연구의 목적은 무리보행하중을 받는 구조물의 주요 지점에 대한 응답을 계측하고 분석하여 하중의 특성을 파악하는 것이다. 이를 위하여 먼저 건축구조물의 동특성을 파악하였으며 이를 바탕으로 무리보행하중의 주파수 특성을 파악할 수 있는 식을 유도하였다. 그리고, 단위보행하중의 주파수 특성을 바탕으로 무리보행하중의 크기를 평가할 수 있는 방법을 제안하였다. 유도된 식은 무리보행하중의 진동수 및 크기를 잘 나타내었으며, 단위보행하중을 기준으로 한 무리보행하중의 크기를 평가하는 경우에는 고차모드형상을 포함하여야 좋은 결과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
This paper describes the theory and verification of a method which utilizes the free decay response of a structure to determine its vibration parameters. The theory of the method is base on the formulation of a system matrix, contains information characterizing the complete set of modal parameters of the system, and its eigen-solution problem. The applicability of the method is verified by simulated free decay response data of a cantilever bean The method described was used to determined the parameters related to the first five generated modes of vibration of a cantilever beam. It involves two very close natural frequencies which could not be identified using a frequency sweep test(peak amplitude) because of interference between modes.
Cylindrical steel tanks are important components of industrial facilities. Their safety becomes a crucial issue since any failure may cause catastrophic consequences. The aim of the paper is to show the results of comprehensive FEM numerical investigation focused on the response of cylindrical steel tanks under mining tremors and moderate earthquakes. The effects of different levels of liquid filling, the influence of non-uniform seismic excitation as well as the aspects of diagnosis of structural damage have been investigated. The results of the modal analysis indicate that the level of liquid filling is really essential in the structural analysis leading to considerable changes in the shapes of vibration modes with a substantial reduction in the natural frequencies when the level of liquid increases. The results of seismic and paraseismic analysis indicate that the filling the tank with liquid leads to the substantial increase in the structural response underground motions. It has also been observed that the peak structural response values under mining tremors and moderate earthquakes can be comparable to each other. Moreover, the consideration of spatial effects related to seismic wave propagation leads to a considerable decrease in the structural response under non-uniform seismic excitation. Finally, the analysis of damage diagnosis in steel tanks shows that different types of damage may induce changes in the free vibration modes and values of natural frequencies.
In this paper, various model reduction methods were assessed using a shear frame, plane and space truss structures. Each of the structures is one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional, respectively. Three scenarios of poor, better, and the best were considered for each of the structures in which 25%, 40%, and 60% of the total degrees of freedom (DOFs) were measured in each of them, respectively. Natural frequencies of the full and reduced order structures were compared in each of the numerical examples to assess the performance of model reduction methods. Generally, it was found that system equivalent reduction expansion process (SEREP) provides full accuracy in the model reduction in all of the numerical examples and scenarios. Iterated improved reduced system (IIRS) was the second-best, providing acceptable results and lower error in higher modes in comparison to the improved reduced system (IRS) method. Although the Guyan's method has very low levels of accuracy. Structures were classified with the excitation frequency. High-frequency structures compared to low-frequency structures have been poor performance in the model reduction methods (Guyan, IRS, and IIRS).
Interfacial shear strength (IFSS) of environmentally- friend natural fiber reinforced polymer composites playa very important role in controlling the overall mechanical properties. In this work the IFSS of Ramie and Kenaf fibers/epoxy systems were evaluated using the combination of micromechanical technique, microdroplet test to find out an optimal condition in accordance with final purpose by comparing to each other. Clamping effect on fiber elongation was determined as well. In addition, the mechanical properties of the natural fibers were investigated using single fiber tensile test and analyzed statistically by both uni- and bimodal Weibull distributions. Microfailure modes of different natural fiber structures were observed using optical microscope.
Beckerle, Philipp;Wojtusch, Janis;Rinderknecht, Stephan;von Stryk, Oskar
Smart Structures and Systems
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제13권4호
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pp.711-730
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2014
In this paper the system dynamic influences in actuators with variable stiffness as contemporary used in robotics for safety and efficiency reasons are investigated. Therefore, different configurations of serial and parallel elasticities are modeled by dynamic equations and linearized transfer functions. The latter ones are used to identify the characteristic behavior of the different systems and to study the effect of the different elasticities. As such actuation concepts are often used to reach energy-efficient operation, a power consumption analysis of the configurations is performed. From the comparison of this with the system dynamics, strategies to select and control stiffness are derived. Those are based on matching the natural frequencies or antiresonance modes of the actuation system to the frequency of the trajectory. Results show that exclusive serial and parallel elasticity can minimize power consumption when tuning the system to the natural frequencies. Antiresonance modes are an additional possibility for stiffness control in the series elastic setup. Configurations combining both types of elasticities do not provide further advantages regarding power reduction but an input parallel elasticity might enable for more versatile stiffness selection. Yet, design and control effort increase in such solutions. Topologies incorporating output parallel elasticity showed not to be beneficial in the chosen example but might do so in specific applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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