Stability and accuracy for the trapezoidal rule of the Newmark time integration method are analyzed when variable time step sizes are adopted. A new analytic approach to stability and accuracy analysis is also proposed for time integration methods with variable time step sizes. The trapezoidal rule with variable time step sizes has the "actual" unconditional stability which is the same as that of the method with constant time step sizes. However, the method with variable time step sizes is first-order accurate while the method with constant time step sizes is second-order accurate. accurate.
Having the ability to keep on yielding stable solutions in problems involving high potential of instability, composite time integration methods have become very popular among scientists. These methods try to split a time step into multiple sub-steps so that each sub-step can be solved using different time integration methods with different behaviors. This paper proposes a new composite time integration in which a time step is divided into two sub-steps; the first sub-step is solved using the well-known Newmark method and the second sub-step is solved using Simpson's Rule of integration. An unconditional stability region is determined for the constant parameters to be chosen from. Also accuracy analysis is perform on the proposed method and proved that minor period elongation as well as a reasonable amount of numerical dissipation is produced in the responses obtained by the proposed method. Finally, in order to provide a practical assessment of the method, several benchmark problems are solved using the proposed method.
In order to decrease remarkably the computation time and storage used in the direct integration method without the loss of accuracy, authors suggest a new transient analysis algorithm. This algorithm is derived from the combination of three techniques, that is, the transfer technique of the transfer stiffness coefficient method, the modeling technique of the finite element method, and the numerical integration technique of the Newmark method. In this paper, the transient analysis algorithm of a frame structure is formulated by the proposed method. The accuracy and computation efficiency of the proposed method are demonstrated through the comparing with the computation results by the direct integration method for three computation models under various excitations.
The pounding phenomenon in adjacent structures happens in severing earthquakes that can cause great damages. Connecting neighboring structures with active and semi-active control devices is an effective method to avoid mutual colliding between neighboring buildings. One of the most important issues in control systems is applying online control force. There will be a time delay if the prose of producing control force does not perform on time. This paper proposed a time-delay compensation method in coupled structures control, with semi-active Magnetorheological (MR) damper. This method based on Newmark's integration is adopted to mitigate the time-delay effect. In this study, Lyapunov's direct approach is employed to compute demanded voltage for MR dampers. Using Lyapunov's direct algorithm guarantees the system stability to design a controller based on feedback. Because of the strong nonlinearity of MR dampers, the equation of motion of coupled structures becomes an involved equation, and it is impossible to solve it with the common time step methods. In present paper modified Newmark-Beta integration based on the instantaneous optimal control algorithm, used to solve the involved equation. In this method, the response of a coupled system estimated base on optimal control force. Two MDOF structures with different degrees of freedom are finally considered as a numeric example. The numerical results show, the Newmark compensation is an efficient method to decrease the negative effect of time delay in coupled systems; furthermore, instantaneous optimal control algorithm can estimate the response of structures suitable.
본 논문에서는 기하학적으로 비선형인 유연한 Timoshenko 보의 대변위 운동방정식에 유한요소를 사용하여 정식화하였다. 비선형 구속방정식은 라그랑지 상수를 이용하여 운동방정식에 통합되었다. 정식화하는 과정과 수치해석에서 선형과 비선형 영향을 파악하였고, 코리올리스(Coriolis)힘과 회전자(Gyroscopic)힘의 효과는 관성력과 감쇠력과는 달리 일반적인 외력으로 간주하여 해석할 수 있었다. Newmark의 시간적분과 Newton-Raphson 반복법을 사용한 수치예제를 통해 정식화의 효용성을 보여주었다.
In this study was proposed a transient response analysis technique of a rotor system, applying the generalized FE modeling method of a rotor-bearing system considering a base-transferred shock force and together the state-space Newmark method of direct time integration scheme based on the average velocity concept. Experiments were performed to a test rig of a mock-up rotor-bearing system with series of half-sine shock waves imposed by an electromagnetic shaker, and quantitative error analyses between analytical and experimental results were carried out. The transient reponses of the rotor were sensitive to duration times and shape-qualities of the shock waves, and overally the analytical results agreed quite well with the experimental ones. Particularly, in cases that the frequencies, $1/(2{\times}duration\;time)$, of the shock waves were close to the critical speed of the rotor-bearing system, resonances occurred and the transient responses of the rotor were amplified.
An implicit direct-time integration method for obtaining transient responses of general dynamic systems is described. The conventional Newmark method cannot be directly applied to state-space first-order differential equations, which contain no explicit acceleration terms. The method proposed here is the state-space Newmark method that incorporates the average velocity concept, and can be applied to an analysis of general dynamic systems that are expressed by state-space first-order differential equations. It is also readily coded into a program. Stability and accuracy analyses indicate that the method is numerically unconditionally stable like the conventional Newmark method, and has a period error of 2nd-order accuracy for small damping and 4th-order for large damping and an amplitude error of 2nd-order, regardless of damping. In addition, its utility and validity are confirmed by two application examples. The results suggest that the proposed state-space Newmark method based on average velocity be generally applied to the analysis of transient responses of general dynamic systems with a high degree of reliability with respect to stability and accuracy.
복합적층 곡선패널의 비감쇠 강제진동문제를 해결하기 위한 쉘 요소를 제안하였다. 본 연구에서는 절점당 6개의 자유도를 갖는 4절점 EAS 쉘요소를 사용하였다. EAS 방법을 이용하여 전단잠김과 면내잠김 현상을 극복하였으며, 전단보정계수를 사용하지 않고 분포형상함수에 의해 두께방향에 따른 전단변형을 포물선으로 분포시킨 수정된 1차전단변형이론을 적용하였다. Newmark 직접적분법이 시간에 관한 운동방정식의 적분과 시간이력을 해결하기 위해 적용되었다. 곡선패널의 기하학적 조건과 화이버 보강각도 및 적층조건 등의 매개변수 변화에 따른 강제진동응답을 분석하였다.
In this study, the state-space Newmark method based on average velocity is presented to analyse the transient dynamic response for general dynamic system. The conventional Newmark method based on average acceleration cannot he directly to the first-order state-space differential equations introducing the state-space vector. To overcome this problem, the time-step integration algorithm, based on average velocity concept, suitable for the first-order state-space differential equations is proposed In results, the proposed method has %he numerical stability and order of accuracy, which is proved analytically, equal to those of the conventional Newmark method based on average acceleration. Also, the formulation for numerical solution is very simple and the calculation time Is nearly equal to that of the conventional Newmark method based on average acceleration in spite of an increase of two times over matrix size. This method will be look forward to applying the general dynamic system to calculate the transient dynamic response.
For non-classically damped structures subjected to evolutionary random seismic excitations, the non-stationary random responses are computed by means of a high precision direct (HPD) integration scheme combined with the pseudo excitation method. Only real modes are used, so that the reduced equations of motion remain coupled for such non-classically damped structures. In the given examples, the efficiency of this method is compared with that of the Newmark method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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