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.
Shantou Bay Bridge is the first long-span suspension bridge in China. Because of its location near the Shantou Seaport and its exposure to high typhoon winds, wind-resistant studies are necessary to be made. In this paper, critical flutter wind speeds and buffeting responses of this bridge at its operation and main construction stages are investigated. The Buffeting Response Spectrum method is first briefly presented. Then the sectional model test is carried out to directly obtain the critical flutter wind speed and to identify the flutter derivatives, which are adopted for the later analysis of the buffeting responses using the Buffeting Response Spectrum method. Finally the aeroelastic full bridge model is tested to further investigate the dynamic effects of the bridge. The results from the tests and the computations indicate that the flutter and buffeting behaviors of the Shantou Bay Bridge are satisfied.
Xin-Jun Zhang;Fu-Bing Ying;Chen-Yang Zhao;Xuan-Rui Pan
Wind and Structures
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v.37
no.1
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pp.39-56
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2023
To ensure the wind stability of a long-span suspension bridge during deck erection under skew wind, based on the aerostatic and self-excited aerodynamic force models under skew wind, a computational approach of refined flutter analysis for long-span bridges under skew wind is firstly established, in which the effects of structural nonlinearity, the static wind action and full-mode coupling etc are fully considered, and the corresponding computational procedure is programmed. By taking the Runyang suspension bridge over the Yangtze River as example, the flutter stability of the bridge in completion under skew wind is then analyzed with the aerodynamic parameters of a similar bridge deck measured from the sectional model wind tunnel test under skew wind. Finally, through simulating the girder segments erected symmetrically from the midspan to towers, from the towers to midspan and simultaneously from the towers and midspan to the quarter points, respectively, the evolutions of flutter stability limits during the deck erection under skew wind are investigated numerically, the favorable aerodynamically deck erection sequence is proposed, and the influences of skew wind and static wind effect on the flutter stability of suspension bridge under construction are ascertained.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.7
s.124
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pp.605-610
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2007
In this paper a dynamic behavior(natural frequency) of a cracked cantilever beam subjected to follower force is presented. In addition, an analysis of the flutter and buckling instability of a cracked cantilever beam subjected to a follower compressive load is presented. Based on the Euler-Bernoulli beam theory, the equation of motion can be constructed by using the Lagrange's equation. The vibration analysis on such cracked beam is conducted to identify the critical follower force for flutter instability based on the variation of the first two resonant frequencies of the beam. Besides, the effect of the crack's intensity and location on the flutter follower force is studied. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments. The crack is assumed to be in the first mode of fracture and to be always opened during the vibrations.
Kim, Yo-Han;Kim, Dong-Hyun;Kim, Dong-Man;Kim, Soo-Hyun
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.12
no.6
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pp.704-710
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2009
In this study, a comparison study of flutter analysis for the AGARD 445.6 wing with wind turnnel test data has been conducted in the subsonic, transonic and supersonic flow regions. Nonlinear aeroelastic using FSIPRO3D which is a generalized user-friendly fluid-structure analyses have been conducted for a 3D wing configuration considering shockwave and turbulent viscosity effects. The developed fluid-structure coupled analysis system is applied for aeroelastic computations combining computational structure dynamics(CSD), finite element method(FEM) and computations fluid dynamics(CFD) in the time domain. MSC/NASTRAN is used for the vibration analysis of a wing model, and then the result is applied to the FSIPRO3D module. the results for dynamic aeroelastic response using different turbulent models are presented for several Mach numbers. Calculated flutter boundary are compared with the wind-tunnel experimental and the results show very good agreements.
Flutter is a dangerous phenomenon encountered in flexible structures subjected to aerodynamic forces. This includes aircraft, buildings and bridges. Flutter occurs as a result of interactions between aerodynamic, stiffness, and inertia forces on a structure. In an aircraft, as the speed of the flow increases, there may be a point at which the structural damping is insufficient to damp out the motion which is increasing due to aerodynamic energy being added to the structure. This vibration can cause structural failure, and therefore considering flutter characteristics is an essential part of designing an aircraft. Scientists and engineers studied flutter and developed theories and mathematical tools to analyze the phenomenon. Strip theory aerodynamics, beam structural models, unsteady lifting surface methods (e.g., Doublet-Lattice) and finite element models expanded analysis capabilities. Periodic Structures have been in the focus of research for their useful characteristics and ability to attenuate vibration in frequency bands called "stop-bands". A periodic structure consists of cells which differ in material or geometry. As vibration waves travel along the structure and face the cell boundaries, some waves pass and some are reflected back, which may cause destructive interference with the succeeding waves. This may reduce the vibration level of the structure, and hence improve its dynamic performance. In this paper, for the first time, we analyze the flutter characteristics of a wing with a periodic change in its sandwich construction. The new technique preserves the external geometry of the wing structure and depends on changing the material of the sandwich core. The periodic analysis and the vibration response characteristics of the model are investigated using a finite element model for the wing. Previous studies investigating the dynamic bending response of a periodic sandwich beam in the absence of flow have shown promising results.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.20
no.6
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pp.593-603
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2010
In this paper, vibration and flow-induced flutter instability analysis of cantilever multi-wall carbon nanotubes conveying fluid and modelled as a thin-walled beam is investigated. Non-classical effects of transverse shear and rotary inertia and van der Waals forces between two walls are incorporated in this study. The governing equations and the associated boundary conditions are derived through Hamilton's principle. Numerical analysis is performed by using extend Galerkin method which enables us to obtain more exact solutions compared with conventional Galerkin method. Cantilevered carbon nanotubes are damped with decaying amplitude for flow velocity below a certain critical value, however, beyond this critical flow velocity, flutter instability may occur. Variations of critical flow velocity with both radius ratio and length of carbon nanotubes are investigated and pertinent conclusion is outlined.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2012.04a
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pp.219-224
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2012
In this paper, vibration and flow-induced flutter instability analysis of cantilever multiwall carbon nanotubes conveying fluid and modelled as a thin-walled beam is investigated. Non-classical effects of transverse shear and rotary inertia are incorporated in this study. The governing equations and the associated boundary conditions are derived through Hamilton's principle. Numerical analysis is performed by using extend Galerkin method which enables us to obtain more exact solutions compared with conventional Galerkin method. Cantilevered carbon nanotubes are damped with decaying amplitude for flow velocity below a certain critical value, however, beyond this critical flow velocity, flutter instability may occur. Variations of critical flow velocity with both radius ratio and length of carbon nanotubes are investigated and pertinent conclusion is outlined.
For long-span suspension bridges with their intrinsic limit in flutter, some counter measures, for example, central stabilizers, should be adopted to improve aerodynamic stability to meet with the appropriate wind resistance requirements. The present paper introduces aerodynamic stabilization for long-span suspension bridges with box girders by using central stabilizers based on Xihoumen Bridge with the main span of 1650 m. The aerodynamic stabilization study covers experimental investigation of sectional model testing, comprehensive evaluation of three central stabilizers and theoretical analysis of stabilizing mechanism related to flutter derivatives, aerodynamic damping and degree participation.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.04a
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pp.126-130
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2000
In this study, flutter characteristics of a composite wing have been studied for the variation of laminate angles in the subsonic, transonic and supersonic flow regime. The laminate angles are selected by the aspect of engineering practice such as 0, $\pm$45 and 90 degrees. To calculate the unsteady aerodynamics for flutter analysis, the Doublet Lattice Method(DLM) in subsonic flow and the Doublet Point Method(DPM) in supersonic flow are applied in the frequency domain. In transonic flow, transonic small disturbance(TSD) code is used to calculate the nonlinear unsteady aerodynamics in the time domain. Aeroelastic governing equation has been solved by v-g method in the frequency domain and also by Coupled Time-Integration Method(CTIM) in the time domain. from the results of present study, characteristics of free vibration responses and aeroelastic instabilities of a composite wing are presented for the set of various lamination angles in the all flow range.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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