In this paper, a non-linear finite element formulation for the spatial cable-net structures is simulated and using this formulation, the characteristics of structural behaviors for the elastic catenary cable are examined In the simulating procedure for the elastic catenary cable, nodal forces and tangential stiffness matrices are derived using catenary parameters of the exact solutions by a governing differential equation of catenary cable, cable self-weights and unstressed cable length. Dynamic Relaxation Method that considers kinetic damping is used for the structure analysis and Newton Raphson Method is used to verify the accuracy of solutions. In the analysis of two dimensional cable, the results obtain from the elastic catenary elements are shown more accurate than does of truss elements and in the case of spatial cable-net structures, Dynamic Relaxation Method is more stable to be converged than Newton Raphson Method.
Ambient vibration tests were carried out to evaluate the dynamic properties of an asymmetric steel building with semi-rigid connections. The test case has many non-structural elements, constructed in the city of Tehran (Iran). The tests were conducted to obtain natural frequencies, mode shapes and damping ratio of the structure and then Fourier transform were used to analyze the velocity records obtained from the tests. The first and second natural periods of the building were obtained as 1.37 s and 1.28 s through the test and damping ratio for the first mode was calculated as 0.047. However, Natural periods obtained from finite element model have higher values from those gained from ambient vibration. Then the model was calibrated by modeling of the in-fill masonry panels at their exact locations and considering the boundary conditions by modeling two blocks near the block No. 3, but the differences were existed. These differences may be due to some hidden stiffness of nonstructural elements in the low range of elastic behavior, showing the structure stiffer than it is in reality.
An advanced model for the linear flutter analysis is introduced in this paper. Higher-order beam structural models are developed by using the Carrera Unified Formulation, which allows for the straightforward implementation of arbitrarily rich displacement fields without the need of a-priori kinematic assumptions. The strong form of the principle of virtual displacements is used to obtain the equations of motion and the natural boundary conditions for beams in free vibration. An exact dynamic stiffness matrix is then developed by relating the amplitudes of harmonically varying loads to those of the responses. The resulting dynamic stiffness matrix is used with particular reference to the Wittrick-Williams algorithm to carry out free vibration analyses. According to the doublet lattice method, the natural mode shapes are subsequently used as generalized motions for the generation of the unsteady aerodynamic generalized forces. Finally, the g-method is used to conduct flutter analyses of both isotropic and laminated composite lifting surfaces. The obtained results perfectly match those from 1D and 2D finite elements and those from experimental analyses. It can be stated that refined beam models are compulsory to deal with the flutter analysis of wing models whereas classical and lower-order models (up to the second-order) are not able to detect those flutter conditions that are characterized by bending-torsion couplings.
A spectral element method(SEM) is introduced for the vibration analysis of a rectangular plate subject to dynamic concentrated loads. First, the spectral plate element is derived from the relations between the forces and displacements along the two opposite edges of plate element. The global spectral matrix equation is then formulated by assembling two spectral plate elements so that the dynamic concentrated load is located at the connection nodal line between two plate elements. the concentrated load is then spatially Fourier transformed in the direction of the connection nodal line to transform the two-dimensional plate problem into a simplified equivalent one-dimensional beam-like problem. We may benefit from these procedures in that the spectral results from the present SEM is compared with the exact analytical solutions to prove the remarkable accuracy of the present SEM, while this is not true for conventional finite element solutions, especially at high frequency.
For the spatially coupled free vibration analysis of composite box beams resting on elastic foundation under the axial force, the exact solutions are presented by using the power series method based on the homogeneous form of simultaneous ordinary differential equations. The general vibrational theory for the composite box beam with arbitrary lamination is developed by introducing Vlasov°Øs assumption. Next, the equations of motion and force-displacement relationships are derived from the energy principle and explicit expressions for displacement parameters are presented based on power series expansions of displacement components. Finally, the dynamic stiffness matrix is calculated using force-displacement relationships. In addition, the finite element model based on the classical Hermitian interpolation polynomial is presented. To show the performances of the proposed dynamic stiffness matrix of composite box beam, the numerical solutions are presented and compared with the finite element solutions using the Hermitian beam elements and the results from other researchers. Particularly, the effects of the fiber orientation, the axial force, the elastic foundation, and the boundary condition on the vibrational behavior of composite box beam are investigated parametrically. Also the emphasis is given in showing the phenomenon of vibration mode change.
This paper deals with the influence on the dynamic response of I-type girder railway bridge with high-speed electric multiple unit(HEMU) train load. This bridge system which has six I-girder and several cross beams, is modeled with plate and frame elements. And the upper slab is assumed to be fully connected with girders using rigid rinks. Span lengths, types of vehicle and running speeds are selected as parameters for analyses. For more exact analysis, it was adopted that 3-dimensional section of bridge models was produced by the assumed design wheel loads of HEMU vehicle at 200~350 km/hr speeds. Dynamic vertical deflections, dynamic amplification factors and vertical accelerations of bridges having 30 and 35 m span length were investigated and compared with the limit values specified in various national railway bridge specifications.
Degl'Innocenti, Silvia;Padovani, Cristina;Pasquinelli, Giuseppe
Structural Engineering and Mechanics
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제22권1호
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pp.107-130
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2006
The paper deals with the numerical solution of the dynamic problem of masonry structures. Masonry is modelled as a non-linear elastic material with zero tensile strength and infinite compressive strength. Due to the non-linearity of the adopted constitutive equation, the equations of the motion must be integrated directly. In particular, we apply the Newmark or the Hilber-Hughes-Taylor methods implemented in code NOSA to perform the time integration of the system of ordinary differential equations obtained from discretising the structure into finite elements. Moreover, with the aim of evaluating the effectiveness of these two methods, some dynamic problems, whose explicit solutions are known, have been solved numerically. Comparisons between the exact solutions and the corresponding approximate solutions obtained via the Newmark and Hilber-Hughes-Taylor methods show that in the cases under consideration both numerical methods yield satisfactory results.
Two new elements with six degrees of freedom are proposed by applying the equilibrium conditions and strain-displacement equations. The first element is formulated for the infinite ratio of beam radius to thickness. In the second one, theory of the thick beam is used. Advantage of these elements is that by utilizing only one element, the exact solution will be obtained. Due to incorporating equilibrium conditions in the presented formulations, both proposed elements gave the precise internal forces. By solving some numerical tests, the high performance of the recommended formulations and also, interaction effects of the bending and axial forces will be demonstrated. While the second element has less error than the first one in thick regimes, the first element can be used for all regimes due to simplicity and good convergence. Based on static responses, it can be deduced that the first element is efficient for all the range of structural characteristics. The free vibration analysis will be performed using the first element. The results of static and dynamic tests show no deficiency, such as, shear and membrane locking and excessive stiff structural behavior.
In the existing reports regarding free transverse vibrations of the Euler-Bernoulli beams, most of them studied a uniform beam carrying various concentrated elements (such as point masses, rotary inertias, linear springs, rotational springs, spring-mass systems, ${\ldots}$, etc.) or a stepped beam with one to three step changes in cross-sections but without any attachments. The purpose of this paper is to utilize the numerical assembly method (NAM) to determine the exact natural frequencies and mode shapes of the multiple-step Euler-Bernoulli beams carrying a number of lumped masses and rotary inertias. First, the coefficient matrices for an intermediate lumped mass (and rotary inertia), left-end support and right-end support of a multiple-step beam are derived. Next, the overall coefficient matrix for the whole vibrating system is obtained using the numerical assembly technique of the conventional finite element method (FEM). Finally, the exact natural frequencies and the associated mode shapes of the vibrating system are determined by equating the determinant of the last overall coefficient matrix to zero and substituting the corresponding values of integration constants into the associated eigenfunctions, respectively. The effects of distribution of lumped masses and rotary inertias on the dynamic characteristics of the multiple-step beam are also studied.
The joined-wing is a new concept of the airplane wing. The fore-wing and the aft-wing are joined together in a joined-wing. The range and loiter are longer than those of a conventional wing. The joined-wing can lead to increased aerodynamic performance and reduction of the structural weight. In this research, dynamic response optimization of a joined-wing is carried out by using equivalent static loads. Equivalent static loads are made to generate the same displacement field as the one from dynamic loads at each time step of dynamic analysis. The gust loads are considered as critical loading conditions and they dynamically act on the structure of the aircraft. It is difficult to identify the exact gust load profile. Therefore, the dynamic loads are assumed to be (1-cosine) function. Static response optimization is performed for the two cases. One uses the same design variable definition as dynamic response optimization. The other uses the thicknesses of all elements as design variables. The results are compared.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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