The possibility of detecting a crack in L-shaped pipes filled with fluid based on measurement of transverse natural frequencies is examined. The problem is solved by representing the crack by a massless rotational spring, simulating the out-of-plane transverse vibration only without solving the coupled torsional vibration and using the transfer matrix method for solution of the governing equation. The theoretical solutions are verified by experiments. The cracks considered are external, circumferentially oriented and have straight front. Pipes made of aluminium and mild steel are tested with water as internal fluid. Crack size to pipe thickness ratio ranging from 0.20 to 0.57 and fluid (gauge) pressure in the range of 0 to 10 atmospheres are examined. The rotational spring stiffness is obtained by an inverse vibration analysis and deflection method. The details of the two methods are given. The results by the two methods are presented graphically and show good agreement. Crack locations are also determined by the inverse analysis. The maximum absolute error in the location is 13.80%. Experimentally determined variation of rotational spring stiffness with ratio of crack size to thickness is utilized to predict the crack sizes. The maximum absolute errors in prediction of crack size are 17.24% and 16.90% for aluminium and mild steel pipes respectively.
This study aims to estimate crack location and crack length in damaged beam structures using transfer matrix formulations, which are based on analytical solutions of governing equations of motion. A single variable shear deformation theory (SVSDT) that considers parabolic shear stress distribution along beam cross-section is used, as well as, Timoshenko beam theory (TBT). The cracks are modelled using massless rotational springs that divide beams into segments. In the forward problem, natural frequencies of intact and cracked beam models are calculated for different crack length and location combinations. In the inverse approach, which is the main concern of this paper, the natural frequency values obtained from experimental studies, finite element simulations and analytical solutions are used for crack identification via plots of rotational spring flexibilities against crack location. The estimated crack length and crack location values are tabulated with actual data. Three different beam models that have free-free, fixed-free and simple-simple boundary conditions are considered in the numerical analyses.
The current paper presents a technique to detect crack in non-uniform cantilever-type pipe beams, that have step changes in the properties of their cross sections, restrained by a translational and rotational spring with a tip mass at the free end. An equation for estimating the natural frequencies for the non-uniform beams is derived using the boundary and continuity conditions, and an equivalent bending stiffness for cracked beam is applied to calculate the natural frequencies of the cracked beam. An experimental study for a step-changed non-uniform cantilever-type pipe beam restrained by bolts with a tip mass is carried out to verify the proposed method. The translational and rotational spring constants are updated using the neural network technique to the results of the experiment for intact case in order to establish a baseline model for the subsequent crack detection. Then, several numerical simulations for the specimen are carried out using the derived equation for estimating the natural frequencies of the cracked beam to construct a set of training patterns of a neural network. The crack locations and sizes are identified using the trained neural network for the 5 damage cases. It is found that the crack locations and sizes are reasonably well estimated from a practical point of view. And it is considered that the usefulness of the proposed method for structural health monitoring of the step-changed non-uniform cantilever-type pipe beam-like structures elastically restrained in the ground and have a tip mass at the free end could be verified.
In this paper, a nonlinear finite element procedure is presented for the analysis of reinforced concrete shell structures. The 4-node quadrilateral flat shell finite element with drilling rotational stiffness is developed. The layered approach is used to discretize behavior of concrete and reinforcement through the thickness. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. The smeared crack approach is incorporated. The steel reinforcement is assumed to be in a uniaxial stress state and to be a smeared in a layer. The proposed numerical method for nonlinear analysis of reinforce concrete shells will be verified by comparison with reliable experimental results.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.354-359
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2008
Modal characteristics of a cracked beam with a concentrated mass undergoing rotational motion are investigated in this paper. Hybrid deformation variables are employed to derive the equations of motion of a rotating cantilever beam. The flexibility due to crack, which is assumed to be open during the vibration, is calculated basing on a fracture mechanics theory. To obtain more general information, the equations of motion are transformed into a dimensionless form in which dimensionless parameters are identified. The effects of the dimensionless parameters related to the angular speed, the depth and location of a crack and the size and location of a concentrated mass on the modal characteristics of the beam are investigated numerically.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.1
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pp.10-16
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2009
Modal characteristics of a cracked beam with a concentrated mass undergoing rotational motion are investigated in this paper. Hybrid deformation variables are employed to derive the equations of motion of a rotating cantilever beam. The flexibility due to crack, which is assumed to be open during the vibration, is calculated basing on a fracture mechanics theory. To obtain more general information, the equations of motion are transformed into a dimensionless form in which dimensionless parameters are identified. The effects of the dimensionless parameters related to the angular speed, the depth and location of a crack and the size and location of a concentrated mass on the modal characteristics of the beam are investigated numerically.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.7
no.1
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pp.24-29
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2006
In this paper, the effect of open crack on the dynamic behavior of simply supported Timoshenko beam with a moving mass was studied. The influences of the depth and the position of the crack on the beam were studied on the dynamic behavior of the simply supported beam system by numerical methods. The equation of motion is derived by using Lagrange's equation. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments. The crack is modeled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces on the crack section and is derived by applying fundamental fracture mechanics theory. As the depth of the crack increases, the mid-span deflection of the Timoshenko beam with a moving mass is increased.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.22
no.1
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pp.143-151
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2005
This paper study the effect of open cracks on the dynamic behavior of simply supported Timoshenko beam with a moving mass. The influences of the depth and the position of the crack in the beam have been studied on the dynamic behavior of the simply supported beam system by numerical method. Using Lagrange's equation derives the equation of motion. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments i.e. the crack is modeled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces on the crack section and is derived by the applying fundamental fracture mechanics theory. As the depth of the crack is increased the mid-span deflection of the Timoshenko beam with the moving mass is increased. And the effects of depth and position of crack on dynamic behavior of simply supported beam with moving mass are discussed.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.25
no.11
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pp.731-738
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2015
This study proposed the method of the multi-crack detection using the sensitivity coefficient matrix which is calculated from the change of eigenvalues and eigenvectors before and after the crack. Each crack is modeled by a rotational springs. The method is applied to the cantilever beam with miulti-crack. The eigenvalues and eigenvectors are determined for different crack locations and depths. The prediction of multi-crack detection are in good agreement with the results of structural reanalysis.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.05a
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pp.799-804
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2004
In this paper a dynamic behavior of simply supported cracked simply supported beam with the moving masses is presented. Based on the Timoshenko beam theory, the equation of motion can be constructed by using the Lagrange's equation. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments i.e. the crack is modelled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces across the crack section and is derived by applying fundamental fracture mechanics the of. And the crack is assumed to be in th first mode of fracture. As the depth of the crack and velocity of fluid are increased the mid-span deflection of the pipe conveying fluid with the moving mass is increased. As depth of the crack is increased, the effect that the velocity of the fluid on the mid-span deflection appeals more greatly.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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