Many practical engineering problems are associated with nonlinear systems subjected to nonstationary random excitations. Equivalent linearization methods are commonly used to seek for approximate solutions to this kind of problems. Compared to various approaches developed in the frequency and mixed time-frequency domains, though directly solving the system equation of motion in the time domain would improve computation efficiency, only limited studies are available. Considering the fact that the orthogonal functions have been widely used to effectively improve the accuracy of the approximated responses and reduce the computational cost in various engineering applications, an orthogonal-function-based equivalent linearization method in the time domain has been proposed in the current paper for nonlinear systems subjected to nonstationary random excitations. In the numerical examples, the proposed approach is applied to a SDOF system with a set-up spring and a SDOF Duffing oscillator subjected to stationary and nonstationary excitations. In addition, its applicability to nonlinear MDOF systems is examined by a 3DOF Duffing system subjected to nonstationary excitation. Results show that the proposed method can accurately predict the nonlinear system response and the formulation of the proposed approach allows it to be capable of handling any general type of nonstationary random excitations, such as the seismic load.
Dynamic response of two adjacent single degree-of-freedom (SDOF) structures connected with friction damper under base excitation is investigated. The base excitation is modeled as a stationary white-noise random process. As the force-deformation behavior of friction damper is non linear, the dynamic response of connected structures is obtained using the equivalent linearization technique. It is observed that there exists an optimum value of the limiting frictional force of the damper for which the mean square displacement and the mean square absolute acceleration responses of the connected structures attains the minimum value. The close form expressions for the optimum value of damper frictional force and corresponding mean square responses of the coupled undamped structures are derived. These expressions can be used for initial optimal design of the friction damper for connected structures. A parametric study is also carried out to investigate the influence of system parameters such as frequency ratio and mass ratio on the response of the coupled structures. It has been observed that the frequency ratio has significant effect on the performance of the friction damper, whereas the effects of mass ratio are marginal. Finally, the verification of the derived close from expressions is made by correlating the response of connected structures under real earthquake excitations.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.34
no.4
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pp.91-98
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1997
Most dynamic systems have various random properties m excitation and system parameters. In this paper, a procedure for structural response and reliability analysis is proposed for the linear dynamic system with random properties in both excitation and system parameters. The system parameter and response with random properties are modeled by the perturbation technique, and then the response analysis is formulated by probabilistic and vibration theories. Probabilistic FEM is also used for the calculation of mean response which is difficult by the proposed response model. The first passage analysis by the integral equation method is used to analyze the probability of failure. The integral equation method results in the first passage probability in terms of crossing rates and first passage probability densities. In this study it is assumed that excitations, system parameters and responses are Gaussian. As an application example, the probabilities of failure at transient state are calculated for a sdof system with random mass and spring constant subjected to stationary white-noise excitation and the results are compared to those of numerical simulation.
The two-dimensional modeling of the non-stationary thermal state and voltage responsivity of the sensitive elements usually used in solid-state pyroelectric focal plane arrays are presented. Temperature distributions under periodical thermal excitation and the response of the thermal imaging device, which is composed of the pyroelectric sensitive elements mounted on a single silicon substrate, are numerically calculated. The sensitive element consists of a covering metal layer, infrared polymer absorber, front metal contact, sensitive pyroelectric element, the interconnecting column and the bulk silicon readout. The results of the numerical modeling show that the thermal crosstalk between sensitive elements to be critical especially at low frequency (f < 10Hz) of periodically modulated light. It is also shown that the use of our models gives the possibility to improve the design, operating regimes and sensitivity of the device.
A theoretical procedure to estimate spectral displacement of a hysteretic oscillator with bilinear stiffness excited by band-limited excitation is presented. The stochastic method of ground-motion simulation is combined with the random vibration theory to compute linear and nonlinear structural response. The response is obtained by computing the root-mean-square oscillator response using dissipation energy balancing by integrating over all energy levels of system weighting with the stationary probability density of the energy. The results are presented in a convenient form, and the accuracy of the procedure is assessed by comparison with results obtained with the time-domain method using the recorded data. The model shows little or no bias at the structural period of engineering interest.
Based on a fast and accurate method for the stationary random seismic response analysis for discretized structures(Lin 1992, Lin et al. 1992), a Ritz method for dealing with such responses of continuous systems in developed. This method is studied quantitatively, using cantilever shear beams for simplicity and clarity. The process can be naturally extended to deal with various boundary conditions as well as non-uniform Bernoulli-Euler beams, or even Timoshenko beams. Algorithms for both proportionally and non-proportionally damped responses are described. For all of such damping cases, it is not necessary to solve for the natural vibrations of the beams. The solution procedure is very simple, and equally efficient for a white or a non-white ground excitation spectrum. Two examples are given where various power spectral density functions, variances, covariances and second spectral moments of displacement, internal force response, and their derivatives are calculated and analyses. Some Ritz solutions are compared with "exact" CQC solutions.
Marano, Giuseppe Carlo;Greco, Rita;Palombella, Giuseppe
Structural Engineering and Mechanics
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v.29
no.6
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pp.603-622
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2008
This work deals with the design optimization of tuned mass damper (TMD) devices used for mitigating vibrations in high-rise towers subjected to seismic accelerations. A stochastic approach is developed and the excitation is represented by a stationary filtered stochastic process. The effectiveness of the vibration control strategy is evaluated by expressing the objective function as the reduction factor of the structural response in terms of displacement and absolute acceleration. The mechanical characteristics of the tuned mass damper represent the design variables. Analyses of sensitivities are carried out by varying the input and structural parameters in order to assess the efficiency of the TMD strategy. Variations between two different criteria are also evaluated.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.09a
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pp.339-347
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2001
A probabilistic optimum design method of the base isolation system consisting of linear spring, viscous damper and frictional element is presented. For the probabilistic approach, the base excitation is assumed to be a stationary Gaussian filtered random process. For optimum design, the objective function and constraints are derived based on the stochastic responses of the system. As a numerical example, the optimum design problem of a three-story base isolated shear type structure is formulated and solved by the sequential quadratic programming method. As a result, the effects of variation of design variables such as parameters of the base isolation system and the mass of base on the objective function and constraints are investigated and the optimum parameters of the base isolation system under study are derived.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.20
no.2
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pp.85-89
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2012
This paper presents a study on the system identification of the in-situ output shaft torque measurement system using a non-contacting magneto-elastic torque transducer installed in a vehicle drivline. The frequency response (transfer) function (FRF) analysis is conducted to interpret the dynamic interaction between the output shaft torque and road side excitation due to the road roughness. In order to identify the frequency response function of vehicle driveline system, two power spectral density (PSD) functions of two random signals: the road roughness profile synthesized from the road roughness index equation and the stationary noise torque extracted from the original torque signal, are first estimated. System identification results show that the output torque signal can be affected by the dynamic characteristics of vehicle driveline systems, as well as the road roughness.
This paper presents the generalized dynamic modeling of self-excited induction generator (SEIG) using state-space approach. The proposed dynamic model consists of induction generator; self-excitation capacitance and load model are expressed in stationary d-q reference frame with the actual saturation curve of the machine. An artificial neural network model is implemented to estimate the machine magnetizing inductance based on the knowledge of magnetizing current. The dynamic performance of SEIG is investigated under no load, with the load, perturbation of load, short circuit at stator terminals, and variation of prime mover speed, variation of capacitance value by considering the effect of main and cross-flux saturation. During voltage buildup the variation in magnetizing inductance is taken into consideration. The performance of SEIG system under various conditions as mentioned above is simulated using MATLAB/SIMULINK and the simulation results demonstrates the feasibility of the proposed system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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