A simulation is performed to investigate the effect of the pipe supports on the change of the natural frequencies of curved pipe systems containing fluid flow, for different elbow angles and geometry of the pipe systems. Based upon the Hamilton's principle, the equations of motions are derived, and the finite element equation is constructed to solve the corresponding eigenvalue problem. The angles of elbows do not affect the change of the fundamental natural frequency, but affect the change of the third or higher natural frequencies. Without any support, the change of the fundamental natural frequency due to the geometric change is smaller than the change of the second or higher natural frequencies. The more curve parts exist in the pipe system, the less change of lower frequency range, compared with the change of higher frequency range, is observed. Spring supports can be used to reduce the fundamental natural frequency, without change of the second or higher natural frequencies. To avoid resonance, which is critically dangerous from the view point of structural dynamics, the mechanical properties such as stiffness or the location of pipe supports are need to be changed to isolate the natural frequencies from the frequency range of dominant vibration modes.
The natural frequencies of continuous systems depend on the governing partial differential equation and can be numerically estimated using the finite element method. The accuracy and convergence of the finite element method depends on the choice of basis functions. A basis function will generally perform better if it is closely linked to the problem physics. The stiffness matrix is the same for either static or dynamic loading, hence the basis function can be chosen such that it satisfies the static part of the governing differential equation. However, in the case of a rotating beam, an exact closed form solution for the static part of the governing differential equation is not known. In this paper, we try to find an approximate solution for the static part of the governing differential equation for an uniform rotating beam. The error resulting from the approximation is minimized to generate relations between the constants assumed in the solution. This new function is used as a basis function which gives rise to shape functions which depend on position of the element in the beam, material, geometric properties and rotational speed of the beam. The results of finite element analysis with the new basis functions are verified with published literature for uniform and tapered rotating beams under different boundary conditions. Numerical results clearly show the advantage of the current approach at high rotation speeds with a reduction of 10 to 33% in the degrees of freedom required for convergence of the first five modes to four decimal places for an uniform rotating cantilever beam.
Conventional cantilevered piezoelectric energy harvesters (PEHs) are usually fabricated with continuous electrode configuration (CEC), which suffers from the electrical cancellation at higher vibration modes. Though previous research pointed out that the segmented electrode configuration (SEC) can address this issue, a comprehensive evaluation of the PEH with SEC has yet been reported. With the consideration of delivering power to a common load, the AC outputs from all segmented electrode pairs should be rectified to DC outputs separately. In such case, theoretical formulation for power estimation becomes challenging. This paper proposes a method based on equivalent circuit model (ECM) and circuit simulation to evaluate the performance of the PEH with SEC. First, the parameters of the multi-mode ECM are identified from theoretical analysis. The ECM is then established in SPICE software and validated by the theoretical model and finite element method (FEM) with resistive loads. Subsequently, the optimal performances with SEC and CEC are compared considering the practical DC interface circuit. A comprehensive evaluation of the advantageous performance with SEC is provided for the first time. The results demonstrate the feasibility of using SEC as a simple and effective means to improve the performance of a cantilevered PEH at a higher mode.
Given the yield shear of a single-story inelastic structure with simple eccentricity, the problem of strength distribution among the resisting elements is investigated, with respect to minimize its torsional response during a ground motion. Making the hypothesis that the peak accelerations, of both modes of vibration, are determined from the inelastic acceleration spectrum, and assuming further that a peak response quantity is obtained by an appropriate combination rule (square root of sum of squares-SRSS or complete quadratic combination-CQC), the first aim of this study is to present an interaction relationship between the yield shear and the maximum torque that may be developed in such systems. It is shown that this torque may be developed, with equal probability, in both directions (clockwise and anticlockwise), but as it is not concurrent with the yield shear, a rational design should be based on a combination of the yield shear with a fraction of the peak torque. The second aim is to examine the response of such model structures under characteristic ground motions. These models provide a rather small peak rotation and code provisions that are based on such principles (NBCC-1995, UBC-1994, EAK-2000, NZS-1992) are superiors to EC8 (1993) and to systems with a stiffness proportional strength distribution.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2006.06a
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pp.339-340
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2006
In this paper, disk-type ultrasonic motor using radial and bending vibration modes is newly designed and fabricated to measure its characteristics. As the diameter of elastic body increases, the resonant frequency decreases and its resonant frequency is about 92kHz when the physical dimensions of piezoelectric ceramic and elastic body are 28mm of diameter and 2mm of thickness, and 32mm of diameter and 2mm of thickness, respectively. When the applied voltage is 20Vpp. its speed and torque are 200rpm and 1N, respectively.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2006.06a
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pp.274-275
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2006
A linear ultrasonic motor was designed by a combination of the longitudinal and bending mode. Linear ultrasonic motors are based on an elliptical motion on the surface of elastic body, such as bar or plates. The corresponding eigen-mode of one resonance frequency can be excited twice at the same time with a phase shift of 90 degrees in space and time. That is excite symmetric and anti-symmetric modes. Then it determines the thrust and speed of the motor. Linear ultrasonic motors are investigated experimentally in according to be fabricated a general classification to motor structure and material characteristic. There was the first to simulate as use of finite element analysis ANSYS 9.0. The AL-T2W8-ARM14-LEG18-ANGLE80 motor has a maxim efficiency 17 [%] under the speed 0.14 [m/s], thrust 345 [gf] and preload 280 [gf], operating frequency is 57.6 [kHz].
Giresini, Linda;Sassu, Mauro;Butenweg, Christoph;Alecci, Valerio;De Stefano, Mario
Earthquakes and Structures
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v.12
no.4
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pp.409-423
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2017
This paper proposes a quick and simplified method to describe masonry vaults in global seismic analyses of buildings. An equivalent macro-element constituted by a set of six trusses, two for each transverse, longitudinal and diagonal direction, is introduced. The equivalent trusses, whose stiffness is calculated by fully modeled vaults of different geometry, mechanical properties and boundary conditions, simulate the vault in both global analysis and local analysis, such as kinematic or rocking approaches. A parametric study was carried out to investigate the influence of geometrical characteristics and mechanical features on the equivalent stiffness values. The method was numerically validated by performing modal and transient analysis on a three naves-church in the elastic range. Vibration modes and displacement time-histories were compared showing satisfying agreement between the complete and the simplified models. This procedure is particularly useful in engineering practice because it allows to assess, in a simplified way, the effectiveness of strengthening interventions for reducing horizontal relative displacements between vault supports.
Noting that damage occurrence of offshore jacket platforms is concentrated in two structural regions that are in the vicinity of still water surface and close to the seabed, a damage detection method by using only partial measurement of vibration in a suspect region was presented in this paper, which can not only locate damaged members but also evaluate damage severities. Then employing an experiment platform model under white-noise ground excitation by shaking table and using modal parameters of the first three modes identified by a scalar-type ARMA method on undamaged and damaged structures, the feasibility of the damage detection method was discussed. Modal parameters from eigenvalue analysis on the structural FEM model were also used to help the discussions. It is demonstrated that the damage detection algorithm is feasible on damage location and severity evaluation for broken slanted braces and it is robust against the errors of baseline FEM model to real structure when the principal errors is formed by difference of modal frequencies. It is also found that Z-value changes of modal shapes also play a role in the precise detection of damage.
Using a test run data, the dynamics of the interface between the catenary and pantograph constituting the current collection system in high-speed trains are investigated. The test run signals are analyzed to determine the dynamic parameters critical to the current collection performance. There are found to be frequency components of the pantograph motion that are dependent on train speed as well as components that are stationary such as the resonant mode of the panhead suspension in the pantograph. From contact force measurement using load cell, the mean contact force was found to be stable while the fluctuating component was found to be dependent on the range of the frequency of the pantograph motion taken into account. The finding implies that numerical investigations reported in the literature that are based on lumped element models of the catenary and/or pantograph provide accurate predictions on the mean value but are of limited use in estimating fluctuation of the contact force. It is concluded that simulation studies based on lumped-element models which do not incorporate panhead structural vibration modes is inaccurate at high train speeds.
Pushover analysis captures the behavior of a structure from fully elastic to collapse. In this analysis, the structure is subjected to increasing lateral load with constant gravity one. Neglecting the effects of the higher modes and the changes in the vibration characteristics during the nonlinear analysis are the main obstacles of the proposed lateral load patterns. To overcome these drawbacks, whereas some methods have been presented to achieve updated lateral load distribution, these methods are not precisely capable to predict the response of structures, precisely. In this study, a new method based on optimization procedure is developed to obtain a lateral load pattern for which the difference between the floor displacements of pushover and Nonlinear Dynamic Analyses (NDA) is minimal. For this purpose, an optimization problem is considered and the genetic algorithm is applied to calculate optimal lateral load pattern. Three special moment resisting steel frames with different dynamic characteristics are simulated and their optimal load patterns are derived. The floor displacements of these frames subjected to the proposed and conventional load patterns are acquired and the accuracy of them is evaluated via comparing with NDA responses. The outcomes reveal that the proposed lateral load distribution is more accurate than the previous ones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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