In this study, flutter analyses for supercritical airfoil have been conducted in transonic region. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics (CFD) and computational structural dynamics (CSD) has been developed in order to investigate detailed static and dynamic responses of supercritical airfoil. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with Spalart-Allmaras (S-A) and SST ${\kappa}-{\omega}$ turbulence models are solved for unsteady flow problems. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of cascades for fluid-structure interaction (FSI) problems. Also, flow-induced vibration (FIV) analyses for various supercritical airfoil models have been conducted. Detailed flutter responses for supercritical are presented to show the physical performance and vibration characteristics in various angle of attack.
Arani, Ali Ghorbanpour;Maraghi, Zahra Khoddami;Ferasatmanesh, Maryam
Structural Engineering and Mechanics
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제63권1호
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pp.65-76
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2017
This research investigated the vibration frequency of sandwich plate made of piezoelectric fiber reinforced composite core (PFRC) and face sheets of piezomagnetic materials. The effective electroelastic constants for PFRC materials are obtained by the micromechanical approach. The resting medium of sandwich plate is modeled by Pasternak foundation including normal and shear modulus. Besides, sandwich plate is subjected to linearly varying normal stresses that change by load factor. The coupled equations of motion are derived using first order shear deformation theory (FSDT) and energy method. These equations are solved by differential quadrature method (DQM) for simply supported boundary condition. A detailed numerical study is carried out based on piezoelectricity theory to indicate the significant effect of load factor, volume fraction of fibers, modulus of elastic foundation, core-to-face sheet thickness ratio and composite materials on dimensionless frequency of sandwich plate. These findings can be used to aerospace, building and automotive industries.
This paper presents the flutter analysis and optimum design of axially functionally graded box beam cantilever wing section by considering various geometric and material parameters. The coupled dynamic equations of the continuous model of wing system in terms of material and cross-sectional properties are formulated based on extended Hamilton's principle. By expressing the lift and pitching moment in terms of plunge and pitch displacements, the resultant two continuous equations are simplified using Galerkin's reduced order model. The flutter velocity is predicted from the solution of resultant damped eigenvalue problem. Parametric studies are conducted to know the effects of geometric factors such as taper ratio, thickness, sweep angle as well as material volume fractions and functional grading index on the flutter velocity. A generalized surrogate model is constructed by training the radial basis function network with the parametric data. The optimized material and geometric parameters of the section are predicted by solving the constrained optimal problem using firefly metaheuristics algorithm that employs the developed surrogate model for the function evaluations. The trapezoidal hollow box beam section design with axial functional grading concept is illustrated with combination of aluminium alloy and aluminium with silicon carbide particulates. A good improvement in flutter velocity is noticed by the optimization.
The effect of earthquake induced torsion, due to mass eccentricities, is investigated with the objective of providing practical design guidelines for minimizing the torsional response of building structures. Current code provisions recommend performing three dimensional static or dynamic analyses, which involve shifting the centers of the floor masses from their nominal positions to what is called an accidental eccentricity. This procedure however may significantly increase the design cost of multistory buildings, due to the numerous possible spatial combinations of mass eccentricities and it is doubtful whether such a cost would be justifiable. This paper addresses this issue on a theoretical basis and investigates the torsional response of asymmetric multistory buildings in relation to their behavior when all floor masses lie on the same vertical line. This approach provides an insight on the overall seismic response of buildings and reveals how the torsional response of a structure is influenced by an arbitrary spatial combination of mass eccentricities. It also provides practical guidelines of how a structural configuration may be designed to sustain minor torsion, which is the main objective of any practicing engineer. A parametric study is presented on 9-story common building types having a mixed-type lateral load resisting system (frames, walls, coupled wall bents) and representative heightwise variations of accidental eccentricities.
This research investigates the electromechanical characteristics of a sing1e-phase squirrel cage induction motor due to broken rotor bars and rotor eccentricity. Numerical analysis is performed by solving the nonlinear time-stepping finite element equation coupled with the magnetic field equation, circuit equation and mechanical equation of motion. It shows that the asymmetry of magnetic flux due to the broken rotor bars and rotor eccentricity introduce a change in the stator current, torque, speed, magnetic force and vibration of a rotor at the same time. However, even in the existence of rotor eccentricity, 3 broken rotor bar introduces a dominant change in the magnetic force and rotor displacement, i.e., beating phenomenon in time domain and sideband frequencies in frequency spectra, respectively.
Using the finite element method, this study investigates the dynamic time responses of a flexible spinning disk of which axis of rotation is misaligned with the axis of symmetry. The misalignment between the axes of symmetry and rotation is one of the major vibration sources in optical disk drives such as CD-ROM, CD-R, CD-RW and DVD drives. Based upon the Kirchhoff plate theory and the von-Karman strain theory, three coupled equations of motion for the misaligned disk are obtained: two of the equations are for the in-plane motion while the other is for the out-of-plane motion. After transforming these equations into two weak forms for the in-plane and out-of-plane motions, the weak forms are discretized by using newly defined annular sector finite elements. Applying the generalized-$\alpha$ time integration method to the discretized equations, the time responses and the displacement distributions are computed and then the effects of the misalign ment on the responses and the distributions are analyzed. The computation results show that the misalignment has an influence on the magnitudes of the in-plane displacements and it results in the amplitude modulation or the beat phenomenon in the time responses of the out-of-plane displacement.
Sea waves induce significant pressures on coastal surfaces, especially on rocky vertical cliffs or breakwater structures (Peregrine 2003). In the present work, this hydrodynamic pressure is considered as the excitation acting on a piezoelectric material sheet, installed on a vertical cliff, and connected to an external electric circuit (on land). The whole hydro/piezo/electric system is modeled in the context of linear wave theory. The piezoelectric elements are assumed to be small plates, possibly of stack configuration, under a specific wiring. They are connected with an external circuit, modeled by a complex impedance, as usually happens in preliminary studies (Liang and Liao 2011). The piezoelectric elements are subjected to thickness-mode vibrations under the influence of incident harmonic water waves. Full, kinematic and dynamic, coupling is implemented along the water-solid interface, using propagation and evanescent modes (Athanassoulis and Belibassakis 1999). For most energetically interesting conditions the long-wave theory is valid, making the effect of evanescent modes negligible, and permitting us to calculate a closed-form solution for the efficiency of the energy harvesting system. It is found that the efficiency is dependent on two dimensionless hydro/piezo/electric parameters, and may become significant (as high as 30 - 50%) for appropriate combinations of parameter values, which, however, corresponds to exotically flexible piezoelectric materials. The existence or the possibility of constructing such kind of materials formulates a question to material scientists.
To investigate the effects of central buckles on the dynamic behavior and flutter stability of long-span suspension bridges, four different connection options between the main cable and the girder near the mid-span position of the Aizhai Bridge were studied. Based on the flutter derivatives obtained from wind tunnel tests, formulations of self-excited forces in the time domain were obtained using a nonlinear least square fitting method and a time-domain flutter analysis was realized. Subsequently, the influences of the central buckles on the critical flutter velocity, flutter frequency, and three-dimensional flutter states of the bridge were investigated. The results show that the central buckles can significantly increase the frequency of the longitudinal floating mode of the bridge and have greater influence on the frequencies of the asymmetric lateral bending mode and asymmetric torsion mode than on that of the symmetric ones. As such, the central buckles have small impact on the critical flutter velocity due to that the flutter mode of the Aizhai Bridge was essentially the symmetric torsion mode coupled with the symmetric vertical mode. However, the central buckles have certain impact on the flutter mode and the three-dimensional flutter states of the bridge. In addition, it is found that the phenomenon of complex beat vibrations (called intermittent flutter phenomenon) appeared in the flutter state of the bridge when the structural damping is 0 or very low.
The flap-lag-torsion coupled aeroelastic behavior of a hingeless rotor blade with composite flexures in hovering flight has been investigated by using the finite element method. The quasisteady strip theory with dynamic inflow effects is used to obtain the aerodynamic loads acting on the blade. The governing differential equations of motion undergoing moderately large displacements and rotations are derived using the Hamilton's principle. The flexures used in the present model are composed of two composite plates which are rigidly attached together. The lead-lag flexure is located inboard of the flap flexure. A mixed warping model that combines the St. Versant torsion and the Vlasov torsion is developed to describe the twist behavior of the composite flexure. Numerical simulations are carried out to correlate the present results with experimental test data and also to identify the effects of structural couplings of the composite flexures on the aeroelastic stability of the blade. The prediction results agree well with other experimental data. The effects of elastic couplings such as pitch-flap, pitch-lag, and flap-lag couplings on the stability behavior of the composite blades are also investigated.
This work present the experimental resutls for the free vibration of unstiffened, stiffened cylindrical shell filled with air, half water and full water. The natural frequencies and mode shapes of unstiffened, stiffened cylindrical shell are obtained experimentally also. The natural frequencies of stiffened cylindrical shell were generally highter than those of unstiffened cylindrical shell and natural requencies were decreased as cylindrical shell was filled with water. The effect of circumferential stiffener in the first mode was shown that natural frequency more increased 25% at air environment, 29% at half water environment and 37% at full water than those of unstiffened cylindrical shell, respectively. Also, the natural frequencies were decreased according to the added mass effect of fluid in the shell of unstiffened and stiffened cylindrical shell. The six mode shape results of all cases are simular and given. The natural frequencies are determined for a wide range of parameters : e.g. unstiffened shell, and filled with air, half and full water. The effects of varying the parameters on the free vibration frequencies and mode shapes are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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