Finite element stiffness matrix methods are presented for finding natural frequencies (or buckling loads) and modes of repetitive structures. The usual approximate finite element formulations are included, but more relevantly they also permit the use of 'exact finite elements', which account for distributed mass exactly by solving appropriate differential equations. A transcendental eigenvalue problem results, for which all the natural frequencies are found with certainty. The calculations are performed for a single repeating portion of a rotationally or linearly (in one, two or three directions) repetitive structure. The emphasis is on rotational periodicity, for which principal advantages include: any repeating portions can be connected together, not just adjacent ones; nodes can lie on, and members along, the axis of rotational periodicity; complex arithmetic is used for brevity of presentation and speed of computation; two types of rotationally periodic substructures can be used in a multi-level manner; multi-level non-periodic substructuring is permitted within the repeating portions of parent rotationally periodic structures or substructures and; all the substructuring is exact, i.e., the same answers are obtained whether or not substructuring is used. Numerical results are given for a rotationally periodic structure by using exact finite elements and two levels of rotationally periodic substructures. The solution time is about 500 times faster than if none of the rotational periodicity had been used. The solution time would have been about ten times faster still if the software used had included all the substructuring features presented.
In this paper, both an approximate expression and an exact expression for the contribution factor of an element to the natural frequency of the finite element discretized system of a structure in general and a membrane in particular have been derived from the energy conservation principle and the finite element formulation of structural eigenvalue problems. The approximate expression for the contribution factor of an element is used to predict and determine the elements to be removed in an iteration since it depends only on the quantities associated with the old system in the iteration. The exact expression for the contribution factor of an element makes it possible to check whether the element is correctly removed at the end of an iteration because it depends on both the old system and the new system in the iteration. Thus, the combined use of the approximate expression and the exact expression allows a considerable number of elements to be removed in a single iteration so that the efficiency of the evolutionary structural optimization method can be greatly improved for solving the natural frequency optimization problem of a structure. A square membrane with different boundary supports has been chosen to investigate the general evolutionary path for the fundamental natural frequency of the structure. The related results indicated that if the objective of a structural optimization is to raise the fundamental natural frequency of the structure to an optimal value, the general evolutionary path during its optimization is that the elements are gradually removed along the direction from the area surrounded by the contour of the highest value to that surrounded by the contour of the lowest value.
For a nonlinear control system, there are many uncertainties, such as the structural model, controlled parameters and external loads. Although the significant progress has been achieved on the robust control of nonlinear systems through some researches on this issue, there are still some limitations, for instance, the complicated solving process, weak conservatism of system, involuted structures and high order of controllers. In this study, the computational structural mechanics and optimal control theory are adopted to address above problems. The induced norm is the eigenvalue problem in structural mechanics, i.e., the elastic stable Euler critical force or eigenfrequency of structural system. The segment mixed energy is introduced with a precise integration and an extended Wittrick-Williams (W-W) induced norm calculation method. This is then incorporated in the market-based control (MBC) theory and combined with the force analogy method (FAM) to solve the MBC robust strategy (R-MBC) of nonlinear systems. Finally, a single-degree-of-freedom (SDOF) system and a 9-stories steel frame structure are analyzed. The results are compared with those calculated by the $H{\infty}$-robust (R-$H{\infty}$) algorithm, and show the induced norm leads to the infinite control output as soon as it reaches the critical value. The R-MBC strategy has a better control effect than the R-$H{\infty}$ algorithm and has the advantage of strong strain capacity and short online computation time. Thus, it can be applied to large complex structures.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.5
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pp.447-454
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2012
Considering that the weight of a hollow slab system is not increased with an incremental increase in its thickness, and that the flexural stiffness of a hollow slab is not significantly lower than that of a general slab, there has been a growing need for hollow slab system, because long span structures are in great demand. In a long span structure, the problem of vibration of floor slabs frequently occurs, and the dynamic characteristics of a hollow slab system are quite different from the conventional floor system. It is required to investigate the safety and the serviceability of hollow slab. Therefore, there exists a necessity for accurate vibration analysis. Hollow slab should be modeled by refined mesh for accurate vibration analysis. For the efficiency of the Eigenvalue Analysis, an equivalent plate slab model when can relatively precisely represent the dynamic behavior of a one-way hollow slab system is used. In conclusion, equivalent plate models relatively precisely presented the dynamic characteristics of one-way hollows.
The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication
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v.20
no.5
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pp.151-156
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2020
To analyze the diffraction properties of optical signals and the significant impacts of tapered sidewall profile at periodic trapezoidal 2D diffraction gratings, Toeplitz dielectric tensor is first defined and formulated by 2D spatial Fourier expansions associated with trapezoidal profile. The characteristic modes in each layer is then based on eigenvalue problem, and the complete solution is found rigorously in terms of modal transmission-line theory (MTLT) to address the pertinent boundary-value problems. Based on those one, the numerical analysis is performed on how the tapered side profile of grating structures with trapezoidal refractive index distribution affects the design of a sub-wavelength grating reflector. The numerical results reveal that this tapered sidewall profile plays a critical role in determining the reflection bandwidth, the average reflectance, and the band edge.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.3
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pp.463-469
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2002
The governing equation and force-displacement rotations of a beam-column element on elastic foundation we derived based on variational approach of total potential energy. An exact static and dynamic 4×4 element stiffness matrix of the beam-column element is established via a generalized lineal-eigenvalue problem by introducing 4 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. The structure stiffness matrix is established by the conventional direct stiffness method. In addition the F. E. procedure is presented by using Hermitian polynomials as shape function and evaluating the corresponding elastic and geometric stiffness and the mass matrix. In order to verify the efficiency and accuracy of the beam-column element using exact dynamic stiffness matrix, buckling loads and natural frequencies are calculated for the continuous beam structures and the results are compared with F E. solutions.
The main goal of this study is to investigate the free vibration analysis of a large sag catenary with application to the jumper in hybrid riser system. The equation of motion is derived by using the variational method based on the virtual work principle. The finite element method is applied to evaluate the numerical solutions. The large sag catenary is utilized as an initial configuration for vibration analysis. The nonlinearity due to the large sag curvature of static configuration is taken into account in the element stiffness matrix. The natural frequencies of large sag catenary and their corresponding mode shapes are determined by solving the eigenvalue problem. The numerical examples of a large sag catenary jumpers are presented. The influences of bending rigidity and large sag shape on the free vibration behaviors of the catenary jumper are provided. The results indicate that the increase in sag reduces the jumper natural frequencies. The corresponding mode shapes of the jumper with large sag catenary shape are comprised of normal and tangential displacements. The large sag curvature including in the element stiffness matrix increases the natural frequency especially for a case of very large sag shape. Mostly, the mode shapes of jumper are dominated by the normal displacement, however, the tangential displacement significantly occurs around the lowest point of sag. The increase in degree of inclination of the catenary tends to increase the natural frequencies.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.4
no.4
s.14
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pp.113-128
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2004
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of solid paraboloidal and complete (that is, without a top opening) paraboloidal shells of revolution with variable wall thickness. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. The ends of the shell may be free or may be subjected to any degree of constraint. Displacement components $u_r,\;u_{\theta},\;and\;u_z$ in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in ${\theta}$, and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the paraboloidal shells of revolution are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the complete, shallow and deep paraboloidal shells of revolution with variable thickness. Numerical results are presented for a variety of paraboloidal shells having uniform or variable thickness, and being either shallow or deep. Frequencies for five solid paraboloids of different depth are also given. Comparisons are made between the frequencies from the present 3-D Ritz method and a 2-D thin shell theory.
The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science
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v.12
no.1
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pp.18-26
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2001
In this paper, the resonant characteristics and modes of the film bulk acoustic wave resonator (FBAR) used in 1~2 GHz frequency region are analyzed by it's input impedance which was calculated by three dimensional finite element method formulated as eigenvalue problem using electro-mechanical wave equation and boundary condition. It was extracted that the resonant and the spurious characteristics considering the effects of electrode area and shape variation and unsymmetry of upper and lower electrode. Those effects couldn't be analyzed by on dimensional analysis, e.g. Mason equivalent model. The simulation result was confirmed by comparing with the simulation data from Mason model analysis and the measured data of the ZnO FBAR fabricated using micro-machining technique. Also, through the simulation of the area variations of FBAR, it was obtained that the optimum ratio of length and thickness is 20:1 and the minimum ratio is 5:1 to operate thickness vibration mode.
The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science
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v.21
no.7
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pp.805-814
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2010
The Crank-Nicolson isotropic-dispersion finite difference time domain(CN ID-FDTD) scheme is proposed based on isotropic-dispersion finite difference(ID-FD) $equation^{[1],[2]}$. The dispersion relation of CN ID-FDTD is derived for lossy media by solving the eigenvalue problem of iteration matrix in spatial spectral domain, in addition, the weighting factors and scaling factors of the CN ID-FDTD scheme are presented for low dispersion error. The CN ID-FDTD scheme makes the dispersion error drastically reduced and shows accurate numerical results compared to the conventional Crank-Nicolson FDTD method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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