The influences of the coupler consisting of stiffness and mass between neighboring two spans on mode localization are studied theoretically, and the results are confirmed by numerical examples. The mass of the coupler makes a structure sensitive to mode localization especially in higher modes while the stiffness does in all modes. A new type of delocalization phenomenon is observed for the first time in some modes for which mode localization does not occur or is very weak although structural disturbances are severe. A spring-mass system consisting of two substructures and a coupler connecting them is considered in the part of analytical study. As example structures for numerical analysis. simply supported continuous two-span beams with a coupler having a rotational stiffness and a mass moment of inertia on the mid support are considered.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.10
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pp.1327-1336
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2001
The structural modes driven by the low wave-number components of smooth elastic wall pressure provide a relatively weak coupling between the flow and the wall motion. If the elastic thin plate has any resonant mode whose wave-number of resonance coincides with $\omega$/U$\sub$c/, the power will be transmitted to those modes of vibration by the flows. We examine the problem in which the elastic thin plate is subject to pressure fluctuations under turbulent boundary layer. Measurements are presented of the frequency spectra of the near- and far-field pressures and radiated sound contributed by the various wave modes of the thin elastic plate. Dispersion equation for wave motions of elastic plate is used to investigate the effect of bending waves of relatively low wave number on radiated sound. The low wave-number motion of elastic plate is observed to have much less influence on the low-frequency energy of wall pressure fluctuations than that of the rediated sound. High amplitude events of the wall pressure are observed to weakly couple with high-frequency energy of radiated sound for case of low tension applied to the plate. The sound source localization is applied to the measurement of radiated sound by using acoustic mirror system.
Structural identification or St-Id is 'the parametric correlation of structural response characteristics predicted by a mathematical model with analogous characteristics derived from experimental measurements'. This paper describes a St-Id exercise on Humber Bridge that adopted a novel two-stage approach to first calibrate and then validate a mathematical model. This model was then used to predict effects of wind and temperature loads on global static deformation that would be practically impossible to observe. The first stage of the process was an ambient vibration survey in 2008 that used operational modal analysis to estimate a set of modes classified as vertical, torsional or lateral. In the more recent second stage a finite element model (FEM) was developed with an appropriate level of refinement to provide a corresponding set of modal properties. A series of manual adjustments to modal parameters such as cable tension and bearing stiffness resulted in a FEM that produced excellent correspondence for vertical and torsional modes, along with correspondence for the lower frequency lateral modes. In the third stage traffic, wind and temperature data along with deformation measurements from a sparse structural health monitoring system installed in 2011 were compared with equivalent predictions from the partially validated FEM. The match of static response between FEM and SHM data proved good enough for the FEM to be used to predict the un-measurable global deformed shape of the bridge due to vehicle and temperature effects but the FEM had limited capability to reproduce static effects of wind. In addition the FEM was used to show internal forces due to a heavy vehicle to to estimate the worst-case bearing movements under extreme combinations of wind, traffic and temperature loads. The paper shows that in this case, but with limitations, such a two-stage FEM calibration/validation process can be an effective tool for performance prognosis.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.17
no.1
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pp.25-29
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1980
For the preliminary estimation of the vertical hull natural frequency, the Schlick's or Schlick-type formulae have been traditional ones and are still in common use today. Some investigators have made their efforts, based on statistical data of ships' system parameters, to extend the applicability of Schlick-type formulae to higher modes, or to utilize the Rayleigh method. For instance, the work done by Dinsenbacher et al.[5] belongs to the former and that of Nagamoto et al.[6] to the latter. In a part of his previous paper[7], the author, investigating the case of a cargo ship of medium size, suggested that provided statistically simplified curves such as trapezoid of system parameter distributions are available in hands, direct utlization of an ordinary computer program can be also an another convenient method by which we can obtain both natural frequencies and normal mode shapes. In this paper, to confirm the feasibility of the above suggestion, four high speed boats are investigated. The system parameters of them are originally given in [5]. The computer program used here is one confiled based on a calculation method derived from Myklestal-Prohl modeling of hull, transfer matrix formulation and an extended Gumbel's initial value method for solving frequency equation. The results of the investigation show that the direct calculation based on statistically oriented and reasonably assumed trapezoidal mean curves of system parameter distributions can give us natural frequencies within about 5% deviation up to several-noded modes and normal mode shapes serviceable at least up to 4- or 5-noded modes in comparision with those based on actual distributions of system parameters. For this simplified method the actual data required for input are only of ship length, displacement, total added mass, bending and shear rigidity at amidship. They are available at the early stage of design. By this method we can also easily trace variations of vibration characteristics in the course of ship design cycles.
In this paper, a novel PARAllel FACtor (PARAFAC) decomposition based Blind Source Separation (BSS) algorithm is proposed for modal identification of structures equipped with tuned mass dampers. Tuned mass dampers (TMDs) are extremely effective vibration absorbers in tall flexible structures, but prone to get de-tuned due to accidental changes in structural properties, alteration in operating conditions, and incorrect design forecasts. Presence of closely spaced modes in structures coupled with TMDs renders output-only modal identification difficult. Over the last decade, second-order BSS algorithms have shown significant promise in the area of ambient modal identification. These methods employ joint diagonalization of covariance matrices of measurements to estimate the mixing matrix (mode shape coefficients) and sources (modal responses). Recently, PARAFAC BSS model has evolved as a powerful multi-linear algebra tool for decomposing an $n^{th}$ order tensor into a number of rank-1 tensors. This method is utilized in the context of modal identification in the present study. Covariance matrices of measurements at several lags are used to form a $3^{rd}$ order tensor and then PARAFAC decomposition is employed to obtain the desired number of components, comprising of modal responses and the mixing matrix. The strong uniqueness properties of PARAFAC models enable direct source separation with fine spectral resolution even in cases where the number of sensor observations is less compared to the number of target modes, i.e., the underdetermined case. This capability is exploited to separate closely spaced modes of the TMDs using partial measurements, and subsequently to estimate modal parameters. The proposed method is validated using extensive numerical studies comprising of multi-degree-of-freedom simulation models equipped with TMDs, as well as with an experimental set-up.
This paper presents vibration control of a drive feeding system consisting of a new type of CD-ROM(compact discread only memory) mount using electro-rheologocal(ER) fluid. Chemically treated starch particles and silicon oil are used for ER fluid. and its field-dependent yield stresses are experimentally distilled under both the shear and the flow modes. On the basis of the yield stress, an appropriate size of ER CD-ROM mount adapted to conventional feeding system is designed and manufactured. Vibration isolation performance of the proposed mount is evaluated in the frequency domain and compared with that of conventional rubber mount. The ER CD-ROM mount is then installed to the drive feeding system and the system equation of motion is derived. Following the formulating the sky-hook controller, computer simulation is undertaken in order to evaluate vibration suppression of the feeding system subjected to various disturbances(excitations).
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.8
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pp.983-989
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2013
This study proposes a piezoelectric vibration energy harvester composed of two diagonally segmented energy harvesting units. An auxiliary structural unit is attached to the tip of a host structural unit cantilevered to a vibrating base, where the two components have beam axes in opposite directions from each other and matched short-circuit resonant frequencies. Contrary to the usual observations in two resonant frequency-matched structures, the proposed structure shows little eigenfrequency separation and yields a mode sequence change between the first two modes. These lead to maximum power generation around a specific frequency. By using commercial finite element software, it is shown that the magnitude of the output power from the proposed vibration energy harvester can be substantially improved in comparison with those from conventional cantilevered energy harvesters with the same footprint area and magnitude of a tip mass.
Ultrasonic guided wave testing is a very promising non-destructive testing method for rails, which is of great significance for ensuring the safe operation of railways. On the basis of the semi-analytical finite element (SAFE) method, a analytical model of 59R2 grooved rail was proposed, which is commonly used in the ballastless track of modern tram. The dispersion curves of ultrasonic guided waves in free rail and supported rail were obtained. Sensitivity analysis was then undertaken to evaluate the effect of rail elastic modulus on the phase velocity and group velocity dispersion curves of ultrasonic guided waves. The optimal guided wave mode, optimal excitation point and excitation direction suitable for detecting rail integrity were identified by analyzing the frequency, number of modes, and mode shapes. A sinusoidal signal modulated by a Hanning window with a center frequency of 25 kHz was used as the excitation source, and the propagation characteristics of high-frequency ultrasonic guided waves in the rail were obtained. The results show that the rail pad has a relatively little influence on the dispersion curves of ultrasonic guided waves in the high frequency band, and has a relatively large influence on the dispersion curves of ultrasonic guided waves in the low frequency band below 4 kHz. The rail elastic modulus has significant influence on the phase velocity in the high frequency band, while the group velocity is greatly affected by the rail elastic modulus in the low frequency band.
Cold-formed steel (CFS) sections are becoming an increasingly popular solution for constructing floors in residential, healthcare and education buildings. Their reduced weight, however, makes them prone to excessive vibrations, increasing the need for accurate prediction of CFS floor modal properties. By combining experimental modal analysis of a full-scale CFS framed building and its floors and their numerical finite element (FE) modelling this paper demonstrates that the existing methods (based on the best engineering judgement) for predicting CFS floor modal properties are unreliable. They can yield over 40% difference between the predicted and measured natural frequencies for important modes of vibration. This is because the methods were adopted from other floor types (e.g., timber or standard steel-concrete composite floors) and do not take into account specific features of CFS floors. Using the adjusted and then updated FE model, featuring semi-rigid connections led to markedly improved results. The first four measured and calculated CFS floor natural frequencies matched exactly and all relevant modal assurance criterion (MAC) values were above 90%. The introduction of flexible supports and more realistic modelling of the floor boundary conditions, as well as non-structural $fa{\c{c}}ade$ walls, proved to be crucial in the development of the new more successful modelling strategy. The process used to develop 10 identified and experimentally verified FE modelling parameters is based on published information and parameter adjustment resulting from FE model updating. This can be utilised for future design of similar lightweight steel floors in prefabricated buildings when checking their vibration serviceability, likely to be their governing design criterion.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.19
no.4
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pp.138-142
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2018
This study used HILS to test an expansion joint, which is vulnerable to the water hammer effect. The operation data for the HIL simulator was the length rate of the expansion joint by the water hammer, which was used for life prediction based on the vibration durability. For the vibration durability test, the internal pressure of the expansion joint was assumed to be a factor of the durability life, and the lifetime prediction model equation was obtained by curve fitting the lifetime data at each pressure. During the test, the major failure modes of crack and water leakage occurred on the surface of the bellows part. The lifetime prediction model typically follows an inverse power law model. The pressure is a stress factor, and the model is effective in only a specific environment. Therefore, another stress factor such as temperature will be added and considered for a mixed lifetime prediction model in the future.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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