Any rational approach to define the configuration and size of viscous fluid dampers in a structure should be based on the dynamic properties of the system with the dampers. In this paper we propose an alternative representation of the complex eigenvalues of multi degree of freedom systems with dampers to calculate new equivalent natural frequencies. Analytical expressions for the dynamic properties of a two-story building model with a linear viscous damper in the first floor (i.e. with a non-proportional damping matrix) are derived. The formulas permit to obtain the equivalent damping ratios and equivalent natural frequencies for all the modes as a function of the mass, stiffness and damping coefficient for underdamped and overdamped systems. It is shown that the commonly used formula to define the equivalent natural frequency is not applicable for this type of system and for others where the damping matrix is not proportional to the mass matrix, stiffness matrix or both. Moreover, the new expressions for the equivalent natural frequencies expose a novel phenomenon; the use of viscous fluid dampers can modify the vibration frequencies of the structure. The significance of the new equivalent natural frequencies is expounded by means of a simulated free vibration test. The proposed approach may offer a new perspective to study the effect of viscous dampers on the dynamic properties of a structure.
In this study, graph product rules are applied to the dynamic analysis of regular skeletal structures. Graph product rules have recently been utilized in structural mechanics as a powerful tool for eigensolution of symmetric and regular skeletal structures. A structure is called regular if its model is a graph product. In the first part of this paper, the formulation of time history dynamic analysis of regular structures under seismic excitation is derived using graph product rules. This formulation can generally be utilized for efficient linear elastic dynamic analysis using vibration modes. The second part comprises of random vibration analysis of regular skeletal structures via canonical forms and closed-form eigensolution of matrices containing special patterns for symmetric structures. In this part, the formulations are developed for dynamic analysis of structures subjected to random seismic excitation in frequency domain. In all the proposed methods, eigensolution of the problems is achieved with less computational effort due to incorporating graph product rules and canonical forms for symmetric and cyclically symmetric structures.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.7
no.6
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pp.979-994
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2015
The mode shapes of a segmented hull model towed in a model basin were predicted using both the Proper Orthogonal Decomposition (POD) and cross random decrement technique. The proper orthogonal decomposition, which is also known as Karhunen-Loeve decomposition, is an emerging technology as a useful signal processing technique in structural dynamics. The technique is based on the fact that the eigenvectors of a spatial coherence matrix become the mode shapes of the system under free and randomly excited forced vibration conditions. Taking advantage of the simplicity of POD, efforts have been made to reveal the mode shapes of vibrating flexible hull under random wave excitation. First, the segmented hull model of a 400 K ore carrier with 3 flexible connections was towed in a model basin under different sea states and the time histories of the vertical bending moment at three different locations were measured. The measured response time histories were processed using the proper orthogonal decomposition, eventually to obtain both the first and second vertical vibration modes of the flexible hull. A comparison of the obtained mode shapes with those obtained using the cross random decrement technique showed excellent correspondence between the two results.
In this study, a relationship between the resonance frequency ratio and Poisson's ratio was proposed that can be used to directly determine the elastic constants. Using this relationship, the frequency ratio between the 1st bending mode and 2nd bending mode for any rectangular Timoshenko beam can be directly estimated and used to determine the elastic constants efficiently. The exact solution of the Timoshenko beam vibration frequency equation under free-free boundary conditions was determined with an accurate shear shape factor. The highest percent difference for the frequency ratio between the theoretical values and the estimated values for all the beam dimensions studied was less than 0.02%. The proposed equations were used to obtain the elastic constants of beams with different material properties and dimensions using the first two measured transverse bending frequencies. Results show that using the equations proposed in this study, the Young's modulus and Poisson's ratio of rectangular Timoshenko beams can be determined more efficiently and accurately than those obtained from industry standards such as ASTM E1876-15 without the need to test the torsional vibration.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.14
no.11
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pp.34-41
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1997
This paper presents a technique to control a very flexible robot moving in a vertical plane. The flexible robot is modeled as an Euler-Bernoulli beam. Elastic deformation is approximated using the assmed modes method. A comparison function which satisfies all geometric and natural boundary conditions of a cantilever beam with an end mass is used as an assumed mode shape. Lagrange's equation is utilized for the development of a discretized model. A control algorithm is developed using a simple PID cnotrol tech- nique. The proportional, integral and deivative control gains are determined based on the dominant pole placement method and tuned to show no overshoot and no steady state error, and short settling time. The effectiveness of the developed control scheme is showed in the hub angular diaplacement control experiment. Three different end masses are uned in the experiment. The experimental results show that developed control algorithm is very effective showing little overshoot, no steady state error, and less than 2.5 second settl- ing time in case of having an end mass which is equivalent to 45% of the manipulator mass. Also the experimental results show that the residual vibration fo the end point is effectively controlled.
Coupled porous curved beams, due to their low weight and high flexibility, have many applications in engineering. This study investigates the vibration behavior of coupled porous curved beams in different boundary conditions. The system consists of two curved beams connected by a mid-layer of elastic springs. These beams are made of various materials, such as homogenous steel foam, and composite materials with PMMA (polymethyl methacrylate) and SWCNT (single-walled carbon nanotube) used as the matrix and nanofillers, respectively. To obtain equivalent material properties, the role of mixture (RoM) was employed, followed by the implementation of the porosity function. The system's governing equations were obtained by employing FSDT and Hamilton's law. To investigate thermal vibration, temperature was implemented as a load in the governing equations. The GDQ method was used to solve these equations. To demonstrate the applicability of the GDQ method in calculating the frequencies of the system and the correctness of the developed program, a validation study was conducted. After validation, numerous examples were presented to investigate the behavior of single and coupled curved beams in various material properties and boundary conditions. The results indicate that the frequencies of the curved beams and the system depend highly on the amount of porosity (n) and the distribution pattern. The system frequencies decreased with an increase in the porosity coefficient. The stiffness of the springs had no effect on the first mode frequency but increased frequencies of other modes in a specific range. The frequencies of the system decreased with an increase in environmental temperature.
This paper investigates the possibility of controlling the response of typical portal frame structures to blast loading using a combination of semi-active and passive control devices. A one storey reinforced concrete portal frame is modelled using non-linear finite elements with each column discretised into multiple elements to capture the higher frequency modes of column vibration response that are typical features of blast responses. The model structure is subjected to blast loads of varying duration, magnitude and shape, and the critical aspects of the response are investigated over a range of structural periods in the form of blast load response spectra. It is found that the shape or length of the blast load is not a factor in the response, as long as the period is less than 25% of the fundamental structural period. Thus, blast load response can be expressed strictly as a function of the momentum applied to the structure by a blast load. The optimal device arrangements are found to be those that reduce the first peak of the structural displacement and also reduce the subsequent free vibration of the structure. Semi-active devices that do not increase base shear demands on the foundations in combination with a passive yielding tendon are found to provide the most effective control, particularly if base shear demand is an important consideration, as with older structures. The overall results are summarised as response spectra for eventual potential use within standard structural design paradigms.
This paper presents a new semi-analytical annular Mindlin plate element with which out-of-plane natural vibration of thick disks can be analyzed simply, efficiently, and accurately through FEM by including effects of rotary inertia and transverse shear deformation. Using static deformation modes which are exact solutions of equilibrium equations of annular Mindlin plate, the element interpolation functions, stiffness and mass matrices corresponding to each number of nodal diameters are derived. The element is capable of representing out-of-plane rigid-body motions exactly and free from shear locking. Natural frequencies of uniform and multi-step disks with or without concentric ring support are analyzed by applying the presented element. Such results are compared with theoretical predictions of previous works or FEA results obtained by using two-dimensional shell element to investigate the convergence and accuracy of the presented element.
Zai, Behzad Ahmed;Park, M.K.;Lim, Seung-Chul;Lee, Joong-Won;Sindhu, Rashid Ali
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.397-401
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2008
Knowledge of dynamic characteristics of structural elements often can make difference between success and failure in the design of structure due to resonance effect. In this paper an analytical model of a cantilever beam having midpoint load is considered for structural optimization. This involves creating the geometry which allows parametric study of all design variables. For that purpose optimization of cantilever beam is elaborated in order to find the optimum geometry which minimizes its volume eventually for minimum weight using ANSYS. But such geometry could be obtained by different combinations of width and height, so that it may have the same cross sectional area yet different dynamic behavior. So for optimum safe design, besides minimum volume it should have minimum vibration as well. In order to predict vibration different dynamic analyses are performed simultaneously to solve the eigenvalues problem assuming no damping initially through MATLAB simulations using state space form for modal analysis, which identifies the resonant frequencies and mode shapes belonging to the lowest three modes of vibration. And next by introducing damping effects tip displacement, bending stress and the vertical reaction force at the fixed end is evaluated under some dynamic load of varying frequency, and finally it is discussed how resonance can be avoided for particular design. Investigation of results clearly shows that only structural analysis is not enough to predict the optimum values of dimension for safe design. Potentially this technique will meet maintenance and cost goals of many organizations particularly for the application where dynamic loading is invertible and helps a lot ensuring that the proposed design will be safe for both static and dynamic conditions.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.11
no.5
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pp.89-100
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2001
The Ritz method Is applied In a three-dimensional (3-D) analysis to obtain accurate frequencies for thick. linearly tapered. annular plates. The method is formulated for annular plates haying any combination of free or fixed boundaries at both Inner and outer edges. Admissible functions for the three displacement components are chosen as trigonometric functions in the circumferential co-ordinate. and a1gebraic polynomials in the radial and thickness co-ordinates. Upper bound convergence of the non-dimensional frequencies to the exact values within at least four significant figures is demonstrated. Comparisons of results for annular plates with linearly varying thickness are made with ones obtained by others using 2-D classical thin place theory. Extensive and accurate ( four significant figures ) frequencies are presented 7or completely free. thick, linearly tapered annular plates haying ratios of average place thickness to difference between outer radius (a) and inner radius (b) radios (h$_{m}$/L) of 0.1 and 0.2 for b/L=0.2 and 0.5. All 3-D modes are included in the analyses : e.g., flexural, thickness-shear. In-plane stretching, and torsional. Because frequency data liven is exact 7o a\ulcorner least four digits. It is benchmark data against which the results from other methods (e.g.. 2-D 7hick plate theory, finite element methods. finite difference methods) and may be compared. Throughout this work, Poisson\`s ratio $\upsilon$ is fixed at 0.3 for numerical calculations.s.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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