The dynamic instability of doubly curved panels, subjected to non-uniform tensile in-plane harmonic edge loading $P(t)=P_s+P_d\;{\cos}{\Omega}t$ is investigated. The present work deals with the problem of the occurrence of combination resonances in contrast to simple resonances in parametrically excited doubly curved panels. Analytical expressions for the instability regions are obtained at ${\Omega}={\omega}_m+{\omega}_n$, (${\Omega}$ is the excitation frequency and ${\omega}_m$ and ${\omega}_n$ are the natural frequencies of the system) by using the method of multiple scales. It is shown that, besides the principal instability region at ${\Omega}=2{\omega}_1$, where ${\omega}_1$ is the fundamental frequency, other cases of ${\Omega}={\omega}_m+{\omega}_n$, related to other modes, can be of major importance and yield a significantly enlarged instability region. The effects of edge loading, curvature, damping and the static load factor on dynamic instability behavior of simply supported doubly curved panels are studied. The results show that under localized edge loading, combination resonance zones are as important as simple resonance zones. The effects of damping show that there is a finite critical value of the dynamic load factor for each instability region below which the curved panels cannot become dynamically unstable. This example of simultaneous excitation of two modes, each oscillating steadily at its own natural frequency, may be of considerable interest in vibration testing of actual structures.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.9
no.1
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pp.61-68
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2009
This paper is concerned with the investigation of the structural behavior of waffle structure. Parametric variation on waffle floor thickness, main beam depth and column sizes are imposed to study the effects on mode shapes and natural frequencies of waffle structures. Comparisons between FEM models using shell and 3D-solid elements have also been made. The analysis result has shown that the mode frequencies increase with i) increase in main beam depth at level 2 and ii) decrease in waffle slab thickness at level 3. Both 3D and 2D model shown similar mode shapes. Besides, there is a consistent difference in mode frequencies between 3D and 2D model ranging from 25% to 36%.
A four-variable shear deformation refined plate theory has been proposed for dynamic characteristics of smart plates made of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) materials with various boundary conditions by using an analytical method. Magneto-electro-elastic properties of FGM plate are supposed to vary through the thickness direction and are estimated through the modified power-law rule in which the porosities with even and uneven type are approximated. Pores possibly occur inside functionally graded materials (FGMs) due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. The variation of pores along the thickness direction influences the mechanical properties. The governing differential equations and boundary conditions of embedded porous FGM plate under magneto-electrical field are derived through Hamilton's principle based on a four-variable tangential-exponential refined theory which avoids the use of shear correction factors. An analytical solution procedure is used to achieve the natural frequencies of embedded porous FG plate supposed to magneto-electrical field with various boundary condition. A parametric study is led to carry out the effects of material graduation exponent, coefficient of porosity, magnetic potential, electric voltage, elastic foundation parameters, various boundary conditions and plate side-to-thickness ratio on natural frequencies of the porous MEE-FG plate. It is concluded that these parameters play significant roles on the dynamic behavior of porous MEE-FG plates. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG plates with porosity phases.
The rail fastening system, which provides a structural connection between the rail and the sleepers, is a main track component that plays an important role in retaining the rail gauge within acceptable tolerances, as well as in passing the train load to the roadbed through the sleepers. In this paper, a modal test was first performed to evaluate the dynamic characteristics (e.g., natural frequency) of the clips of the railway fastening system under the condition of rail corrugation in urban railway operation. The corrugation-induced passing frequency was then compared with the natural frequency of the clips to investigate any resonance effect during train passage. Furthermore, a field test under train passage was conducted to measure the accelerations on the rail and the rail fastening clips as well as the strains on the rail fastening clips in the rail corrugation condition. The field measurements indicated that the accelerations on the rail and the rail fastening clips have a close relationship with the rail corrugation, but they had a minimal effect on the strains of the rail fastening clips.
The aim of the study is to show the results of complex shaking table experimental investigation focused on the response of two models of cylindrical steel tanks under mining tremors and moderate earthquakes, including the aspects of diagnosis of structural damage. Firstly, the impact and the sweep-sine tests have been carried out, so as to determine the dynamic properties of models filled with different levels of liquid. Then, the models have been subjected to seismic and paraseismic excitations. Finally, one fully filled structure has been tested after introducing two different types of damages, so as to verify the method of damage diagnosis. The results of the impact and the sweep-sine tests show that filling the models with liquid leads to substantial reduction in natural frequencies, due to gradually increasing overall mass. Moreover, the results of sweep-sine tests clearly indicate that the increase in the liquid level results in significant increase in the damping structural ratio, which is the effect of damping properties of liquid due to its sloshing. The results of seismic and paraseismic tests indicate that filling the tank with liquid leads initially to considerable reduction in values of acceleration (damping effect of liquid sloshing); however, beyond a certain level of water filling, this regularity is inverted and acceleration values increase (effect of increasing total mass of the structure). Moreover, comparison of the responses under mining tremors and moderate earthquakes indicate that the power amplification factor of the mining tremors may be larger than the seismic power amplification factor. Finally, the results of damage diagnosis of fully filled steel tank model indicate that the forms of the Fourier spectra, together with the frequency and power spectral density values, can be directly related to the specific type of structural damage. They show a decrease in the natural frequencies for the model with unscrewed support bolts (global type of damage), while cutting the welds (local type of damage) has resulted in significant increase in values of the power spectral density for higher vibration modes.
In the present work the dynamic analysis of the functionally graded rectangular nanoplates is studied. The theory of nonlocal elasticity based on the quasi 3D high shear deformation theory (quasi 3D HSDT) has been employed to determine the natural frequencies of the nanosize FG plate. In HSDT a cubic function is employed in terms of thickness coordinate to introduce the influence of transverse shear deformation and stretching thickness. The theory of nonlocal elasticity is utilized to examine the impact of the small scale on the natural frequency of the FG rectangular nanoplate. The equations of motion are deduced by implementing Hamilton's principle. To demonstrate the accuracy of the proposed method, the calculated results in specific cases are compared and examined with available results in the literature and a good agreement is observed. Finally, the influence of the various parameters such as the nonlocal coefficient, the material indexes, the aspect ratio, and the thickness to length ratio on the dynamic properties of the FG nanoplates is illustrated and discussed in detail.
Eltaher, Mohamed A.;Almalki, Talaal A.;Ahmed, Khaled I.E.;Almitani, Khalid H.
Advances in nano research
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v.7
no.1
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pp.39-49
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2019
This paper focuses on two main objectives. The first one is to exploit an energy equivalent model and finite element method to evaluate the equivalent Young's modulus of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) at any orientation angle by using tensile test. The calculated Young's modulus is validated with published experimental results. The second target is to exploit the finite element simulation to investigate mechanical buckling and natural frequencies of SWCNTs. Energy equivalent model is presented to describe the atomic bonding interactions and their chemical energy with mechanical structural energies. A Program of Nanotube modeler is used to generate a geometry of SWCNTs structure by defining its chirality angle, overall length of nanotube and bond length between two adjacent nodes. SWCNTs are simulated as a frame like structure; the bonds between each two neighboring atoms are treated as isotropic beam members with a uniform circular cross section. Carbon bonds is simulated as a beam and the atoms as nodes. A finite element model using 3D beam elements is built under the environment of ANSYS MAPDL environment to simulate a tensile test and characterize equivalent Young's modulus of whole CNT structure. Numerical results are presented to show critical buckling loads, axial and transverse natural frequencies of SWCNTs with different orientation angles and lengths. The understanding of mechanical behaviors of CNTs are essential in developing such structures due to their great potential in wide range of engineering applications.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.491-500
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2020
The present study proposes a time domain model for the Vortex-induced Vibration (VIV) simulation of a catenary riser under the combination of the current and oscillatory flow induced by vessel motion. In this model, the hydrodynamic force of VIV comprises excitation force, hydrodynamic damping and added mass, which are taken as functions of the non-dimensional frequency and amplitude ratio. The non-dimensional frequency is related with the response frequency, natural frequency, lock-in range and the fluid velocity. The relatively oscillatory flow induced by vessel motion is taken into account in the fluid velocity. Considering that the added mass coefficient and the non-dimensional frequency can affect each other, an iterative analysis is conducted at each time step to update the added mass coefficient and the natural frequency. This model is in detail validated against the published test models. The results show that the model can reasonably reflect the effect of the added mass coefficient on the VIV, and can well predict the riser's VIV under stationary and oscillatory flow induced by vessel motion. Based on the model, this study carries out the VIV simulation of a catenary riser with harmonic vessel motion. By analyzing the bending moment near the touchdown point, it is found that under the combination of the ocean current and oscillatory flow the vessel motion may decrease the VIV response, while increase the excited frequencies. In addition, the decreasing rate of the VIV under vessel surge is larger than that under vessel heave at small vessel motion velocity, while the situation becomes opposite at large vessel motion velocity.
Globally, as population growth and economic development continue, resource consumption is increasing rapidly. As an alternative to electric vehicles was suggested as the environmental pollution problem emerged, the number of registered electric vehicles in Korea increased by more than 137 times compared to 2013. Secondary batteries are expected to expand into various markets such as small IT devices and electric vehicles, and the most important part of electric vehicles is the battery (secondary battery). Therefore, in this study, to analyze the stability of the CSM (Classifier Separator Mill) grinding disc that crushes secondary battery raw materials, structural analysis and vibration analysis of the 1st to 4th grinding discs and the final model were performed. The change of bending by the weight of the Grinding Disc is at least 0.065㎛ and maximum 0.075㎛, and the change by the standard gravity is judged to be very low. The strain is at least 0.00031㎛/㎛ and maximum 0.00078㎛/㎛, and even if the number of Hamer increases, the change by the weight is judged to be insignificant. When the Grinding Disc rotates at a maximum of 6000rpm, the deformation and deformation rate of the first to third models are similar, but the fourth model (Hamer 10EA) is more than three times and the final model (Hamer 12EA) is about four times. However, the maximum deformation is 28.21㎛, which is considered to be insignificant when the change is 6000rpm. Six modes of natural Frequency analysis of the 1st~4th order and final model of the grinding disc appeared to be bent or twisted.
In-vessel retention through external reactor vessel cooling (IVR-ERVC) is a severe accident management (SAM) strategy that has been adopted and used in many nuclear reactors such as AP1000, APR1400, and light water reactor etc. Some reactor accidents have raised concerns about nuclear reactors among residents, leading to a decrease in residents' acceptability and many studies on SAM are being conducted. Experiments on IVR-ERVC are almost impossible due to its specificity, so fluid characteristics are analyzed through BALI experiments with similar condition. In this study, computational fluid dynamics (CFD) via Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and large eddy simulation (LES) for BALI experiments were performed. Steady-state CFD analysis was performed on three turbulence models, and SST k-ω model was in good agreement with the experimental measurement temperature within the maximum error range of 1.9%. LES CFD analysis was performed based on the RANS analysis results and it was confirmed that the temperature and wall heat flux for depth was consistent within an error range of 1.0% with BALI experiment. The LES CFD analysis results were compared with those of the Lagrangian-based solver. LES matched the temperature distribution better than SOPHIA, but SOPHIA calculated the position of boundary between stratified layer and convective layer more accurately. On the other hand, Lagrangian-based solver predicted several small eddy behaviors of the convective layer and LES predicted large vortex behavior. The vibration characteristics near the cooling part of the BALI experimental device were confirmed through Fast Fourier Transform (FFT) investigation. It was found that the power spectral density for pressure at least 10 times higher near the side cooling than near the top cooling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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