A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies of eccentric hemi-spherical shells of revolution with variable thickness. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components $u_r$, $u_{\Theta}$, and $u_z$ in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be periodic in ${\theta}$ and in time, and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential and kinetic energies of eccentric hemi-spherical shells with variable thickness are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to three or four-digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the shells. Numerical results are presented for a variety of eccentric hemi-spherical shells with variable thickness.
Variable thickness plates are commonly encountered in the majority of mechanical/structural components of industrial applications. And, as a result of the unsymmetry of the structure or the load and the anisoptropy of the materials, the cracks in engineering structures are generally subjected to combined stresses. In spite of considerable practical interest, however, a few fracture mechanics study on combined mode crack in a variable thickness plate have carried out. In this respect, combined mode I/III stress intensity factors $K_I$ and $K_III$ at the crack tip for a variable thickness plate were obtained by 3-dimensional finite element analysis. Variable thickness plates containing a central slant crack were chosen. The parameters used in this study were dimensionless crack length $\lamda$, crack slant angle $\alpha$, thickness ratio $\beta$ and width ratio $\omega$. Stress intensity factors were calculated by crack opening displacement(COD) and crack tearing displacement(CTD) method.
Methods for the estimation of the coefficient matrices in the equation of motion for a linear multi-degree-of-freedom structure arc studied. For this purpose, the equation of motion is transformed into an auto-regressive and moving average with auxiliary input (ARMAX) model. The ARMAX parameters are evaluated using several methods of parameter estimation; such as toe least squares, the instrumental variable, the maximum likelihood and the limited Information maximum likelihood methods. Then the parameters of the equation of motion are recovered therefrom. Numerical example is given for a 3-story building model subjected to an earthquake exitation.
Semi-active control systems have attracted a great deal of attention in recent years because these systems can operate on battery power alone, proving advantageous during seismic events when the main power source of the structure may likely fail. The behavior of semi-active devices is often highly non-linear and requires suitable and efficient control algorithm. This paper presents the comparative study and performance of variable semi-active friction dampers by using recently proposed predictive control law with direct output feedback. In this control law, the variable slip force of semi-active variable friction damper is kept slightly lower than the critical friction force, which allows the damper to remain in the slip state during an earthquake, resulting in improved energy dissipation capability. This control algorithm is able to produce a continuous and smooth slip forces for a variable friction damper. The numerical examples include a structure controlled with multiple variable semi-active friction dampers and with multiple passive friction dampers. A parameter, gain multiplier defined as the ratio of damper force to critical damper control force, is investigated under four different real earthquake ground motions, which plays an important role in the present control algorithm of the damper. The numerically evaluated optimum parametric value is considered for the analysis of the structure with dampers. The numerical results of the variable friction dampers show better performance over the passive dampers in reducing the seismic response of structures.
Substructures position is considered as design parameter to obtain optimal structural changes to raise its dynamic characteristics. In conventional SDM (structural dynamics modification) method, the layout of modifying substructures position is first fixed and at that condition the structural optimization is performed by using the substructures size and/or material property as design parameters. But in this paper as a design variable substructures global translational and rotational position is treated. For effective structural modification the eigenvalue sensitivity with respect to that design parameter is derived based on measured frequency response function. The optimal structural modification is calculated by combining eigenvalue sensitivities and eigenvalue reanalysis technique iteratively. Numerical examples are presented to the case of beam stiffener optimization to raise the natural frequency of plate.
Recently, structures are becoming longer and higher because of the developments of new materials and construction techniques. However, such modern structures are more susceptible to excessive structural vibrations which cause deterioration in serviceability and structural safety. A modified probabilistic neural network(MPNN) approach is proposed to reduce the structural vibration. In this study, the global probability density function(PDF) of MPNN is reflected by summing the heterogeneous local PDFs automatically determined in the individual standard deviation of each variable. The proposed algorithm is applied for the vibration control of a three-story shear building model under Northridge earthquake. When the control results of the MPNN are compared with those of conventional PNN to verify the control performance, the MPNN controller proves to be more effective than PNN methods in decreasing the structural responses.
Substructures position is considered as design parameter to obtain optimal structural changes to raise its dynamic characteristics. In conventional SDM (structural dynamics modification) method, the layout of modifying substructures position is first fixed and at that condition the structural optimization is performed by using the substructures size and/or material property as design parameters. But in this paper as a design variable substructures global translational and rotational position is treated. For effective structural modification the eigenvalue sensitivity with respect to that design parameter is derived based on measured frequency response function. The optimal structural modification is calculated by combining eigenvalue sensitivities and eigenvalue reanalysis technique iteratively. Numerical examples are presented to the case of beam stiffener optimization to raise the natural frequency of plate.
자동차 압축기는 연비 개선효과를 위해 가변 사판형 압축기를 사용한다. 가변 사판의 회전 토크와 피스톤에 작용하는 압력은 사판의 형상과 변형에 중요한 영향을 미친다. 본 논문은 Chebyshev 직교다항식과 최적화 기법을 이용하여 가변 사판의 최적 형상을 결정하였다. 사판의 설계 요구사항은 정상 운전상태에서 최대 응력과 변형을 최소화하면서 체적을 감소시키는 것이다. 직교배열표, 분산분석과 반응표면최적화 방법은 최적 설계변수를 결정하고 주효과를 찾는데 사용하였다. 최적설계 결과로부터, 사판의 유의한 설계변수를 확인하고 이의 최적해와 설계요구조건 만족에 대한 유용성을 설명하였다.
This paper deals with determining the fundamental frequency of tall buildings that consist of framed tube, shear core, belt truss and outrigger systems in which the framed tube and shear core vary in size along the height of the structure. The effect of belt truss and outrigger system is modeled as a concentrated rotational linear spring at the belt truss and outrigger system location. Many cantilevered tall structures can be treated as cantilevered beams with variable cross-section in free vibration analysis. In this paper, the continuous approach, in which a tall building is replaced by an idealized cantilever continuum representing the structural characteristics, is employed and by using energy method and Hamilton's variational principle, the governing equation for free vibration of tall building with variable distributed mass and stiffness is obtained. The general solution of governing equation is obtained by making appropriate selection for mass and stiffness distribution functions. By applying the separation of variables method for time and space, the governing partial differential equation of motion is reduced to an ordinary differential equation with variable coefficients with the assumption that the transverse displacement is harmonic. A power-series solution representing the mode shape function of tall building is used. Applying boundary conditions yields the boundary value problem; the frequency equation is established and solved through a numerical process to determine the natural frequencies. Computer program has been developed in Matlab (R2009b, Version 7.9.0.529, Mathworks Inc., California, USA). A numerical example has been solved to demonstrate the reliability of this method. The results of the proposed mathematical model give a good understanding of the structure's dynamic characteristics; it is easy to use, yet reasonably accurate and suitable for quick evaluations during the preliminary design stages.
본 연구는 유한한 회전의 2차항을 고려한 변위장에 기초하여 변곡률을 가지는 비대칭 박벽곡선보의 해석이론을 제시한다. Vlasov의 가정에 의한 연속체의 선형화된 가상일의 원리로부터 총 포텐셜 에너지를 유도하고, 모든 변위 파라미터와 ? 함수는 도심에서 정의된다. 절점당 8개의 자유도를 가지는 박벽곡선보 요소의 개발 과정에서 3차 Hermitian 다항식이 형상함수로 이용된다. 본 연구의 타당성과 정확도를 입증하기 위하여, 일축대칭 단면을 갖는 포물선과 타원형상의 곡선보를 선택하여 3차원 자유진동해석과 안정성 해석을 수행한다. 그리고 이 결과를 ABAQUS의 쉘 요소에 의한 것과 비교한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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