International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제17권2호
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pp.184-194
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2016
In existing identification methods for on-orbit spacecraft, such as eigensystem realization algorithm (ERA) and subspace method identification (SMI), singular value decomposition (SVD) is used frequently to estimate the modal parameters. However, these identification methods are often used to process the linear time-invariant system, and there is a lower computation efficiency using the SVD when the system order of spacecraft is high. In this study, to improve the computational efficiency in identifying time-varying modal parameters of large spacecraft, a faster recursive algorithm called fast approximated power iteration (FAPI) is employed. This approach avoids the SVD and can be provided as an alternative spacecraft identification method, and the latest modal parameters obtained can be applied for updating the controller parameters timely (e.g. the self-adaptive control problem). In numerical simulations, two large flexible spacecraft models, the Engineering Test Satellite-VIII (ETS-VIII) and Soil Moisture Active/Passive (SMAP) satellite, are established. The identification results show that this recursive algorithm can obtain the time-varying modal parameters, and the computation time is reduced significantly.
Modal parameters are widely used in bridge damage detection, finite element model (FEM) updating and design optimization. However, the conventional modal identification approaches require large number of sensors, enormous data processing workload, but normally result in mode shapes with low accuracy. This paper proposes a modal identification method of time-varying vehicle-bridge system using a single sensor. Firstly, the essential physical relationship between the instantaneous frequency of the vehicle-bridge system and the bridge mode shapes are derived. Subsequently, based on the synchroextracting transform, the instantaneous frequency of the system is tracked through the dynamic response collected by a single sensor, and further the modal parameters are estimated by using the derived physical relationship. Then numerical and experimental examples are conducted to examine the feasibility and effectiveness of the proposed method. Finally, the modal parameters identified by the proposed method are applied in bridge FEM updating. The results manifest that the proposed method identifies the modal parameters with high accuracy via a single sensor, and can provide reliable data for the FEM updating.
A new modal analysis method for rotor systems with periodically time-varying parameters is proposed. The essence of method is to introduce modulated coordinates to derive the equivalent time-invariant equation. This paper presents a modal analysis method using modulated coordinates fur general rotors, of which rotating and stationary parts both possess asymmetric properties. The equation of motion with time-varying parameters is transformed to an infinite order matrix equation with the time-invariant parameters. A theory of modal analysis for the system is presented with the infinite order equation and a couple of reduced order equations. A numerical example with simple asymmetric rotor is provided to demonstrate the effectiveness of the proposed method
Soria, Jose M.;Diaz, Ivan M.;Garcia-Palacios, Jaime H.
Smart Structures and Systems
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제20권5호
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pp.525-537
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2017
This paper explores different vibration control strategies for the cancellation of human-induced vibration on a structure with time-varying modal parameters. The main motivation of this study is a lively urban stress-ribbon footbridge (Pedro $G\acute{o}mez$ Bosque, Valladolid, Spain) that, after a whole-year monitoring, several natural frequencies within the band of interest (normal paring frequency range) have been tracked. The most perceptible vibration mode of the structure at approximately 1.8 Hz changes up to 20%. In order to find a solution for this real case, this paper takes the annual modal parameter estimates (approx. 14000 estimations) of this mode and designs three control strategies: a) a tuned mass damper (TMD) tuned to the most-repeated modal properties of the aforementioned mode, b) two semi-active TMD strategies, one with an on-off control law for the TMD damping, and other with frequency and damping tuned by updating the damper force. All strategies have been carefully compared considering two structure models: a) only the aforementioned mode and b) all the other tracked modes. The results have been compared considering human-induced vibrations and have helped the authors on making a decision of the most advisable strategy to be practically implemented.
Based upon the Floquet theory, the complex modal solution for general rotor systems with periodically time-varying parameters is newly derived. The complete modal response can be obtained from the orthonormality condition between the time-variant eigenvectors and the corresponding adjoint vectors. The harmonic solutions such as the response and directional special a patterns are then derived in terms of harmonic modes whose coefficients are obtained from the modal analysis. The stability analysis by the Floquet's transition matrix and the eigen-analysis is also performed.
This paper presents an improved version of the Hilbert-Huang transform (HHT) for the modal evaluation of structural systems or signals. In this improved HHT, a well-designed bandpass filter is used as preprocessing to separate and determine each mode of the signal for solving the inherent modemixing problem in HHT (i.e., empirical mode decomposition, EMD, associated with the Hilbert transform). A screening process is then applied to remove undesired intrinsic mode functions (IMFs) derived from the EMD of the signal's mode. A "best" IMF is selected in each screening process that utilizes the orthogonalization coefficient between the signal's mode and its IMFs. Through mode-by-mode signal filtering, parameters such as the modal frequency can be evaluated accurately when compared to the theoretical value. Time history of the identified modal frequency is available. Numerical results prove the efficiency of the proposed approach, showing relative errors 1.40%, 2.06%, and 1.46%, respectively, for the test cases of a benchmark structure in the lab, a simulated time-varying structural system, and of a linear superimposed cosine waves.
Conventional modal analysis techniques are known to be inappropriate for asymmetrical rotor systems, when the equations of motion are written in the stationary coordinates, due to the presence of time varying parameters. This paper presents a generalized modal analysis method for asymmetrical rotor systems in the stationary coordinates, employing the modulated coordinates and the lambda matrix formulation. A numerical example with a flexible asymmetric rotor model is provided to demonstrate the effectiveness of the proposed modal analysis method. As an application of the proposed method, modal analysis is also performed with an open cracked rotor system.
Conventional modal analysis techniques are known to be inappropriate for asymmetrical rotor systems. when the equations of motion are written in the stationary coordinates, due to the presence of time varying parameters. This paper presents a generalized modal analysis method for asymmetrical rotor systems in the stationary coordinates, employing the modulated coordinates and the lambda matrix formulation. A numerical example with a flexible asymmetric rotor model is provided to demonstrate the effectiveness of the proposed modal analysis method. As an application of the proposed method, modal analysis is also performed with an open cracked rotor system.
Engineering structures in operation essentially belong to time-varying or nonlinear structures and the resultant response signals are usually non-stationary. For such time-varying structures, it is of great importance to extract time-dependent dynamic parameters from non-stationary response signals, which benefits structural health monitoring, safety assessment and vibration control. However, various traditional signal processing methods are unable to extract the embedded meaningful information. As a newly developed technique, variational mode decomposition (VMD) shows its superiority on signal decomposition, however, it still suffers two main problems. The foremost problem is that the number of modal components is required to be defined in advance. Another problem needs to be addressed is that VMD cannot effectively separate non-stationary signals composed of closely spaced or overlapped modes. As such, a new method named generalized adaptive variational modal decomposition (GAVMD) is proposed. In this new method, the number of component signals is adaptively estimated by an index of mean frequency, while the generalized demodulation algorithm is introduced to yield a generalized VMD that can decompose mode overlapped signals successfully. After that, synchrosqueezing wavelet transform (SWT) is applied to extract instantaneous frequencies (IFs) of the decomposed mono-component signals. To verify the validity and accuracy of the proposed method, three numerical examples and a steel cable with time-varying tension force are investigated. The results demonstrate that the proposed GAVMD method can decompose the multi-component signal with overlapped modes well and its combination with SWT enables a successful IF extraction of each individual component.
Fakhry, Mina F.;ElSayed, Mostafa M.;Mehanny, Sameh S.F.
Earthquakes and Structures
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제17권5호
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pp.477-487
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2019
Understanding the behavior of skew bridges under the action of earthquakes is quite challenging due to the combined transverse and longitudinal responses even under unidirectional hit. The main goal of this research is to assess the response of skew bridges when subjected to longitudinal and transversal earthquake loading. The effect of skew on the response considering two- and three- span bridges with skew angles varying from 0 to 60 degrees is illustrated. Various pier fixities (and hence stiffness) and cross-section shapes, as well as different abutment's bearing articulations, are also studied. Finite-element models are established for modal and seismic analyses. Around 900 models are analyzed under the action of the code design response spectrum. $Vis-{\grave{a}}-vis$ modal properties, the higher the skew angle, the less the fundamental period. In addition, it is found that bridges with skew angles less than 30 degrees can be treated as straight bridges for the purpose of calculating modal mass participation factors. Other monitored results are bearings' reactions at abutments, shear and torsion demand in piers, as well as deck longitudinal displacement. Unlike straight bridges, it has been typically noted that skew bridges experience non-negligible torsion and bi-directional pier base shears. In a complementary effort to assess the accuracy of the conducted response spectrum analysis, a series of time-history analyses are applied under seven actual earthquake records scaled to match the code design response spectrum and critical comparisons are performed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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