Guyed mast structures exhibit characteristics such as high flexibility, low mass, small damping ratio, and large aspect ratio, leading to a complex wind-induced vibration response mechanism. This study analyzed the time- and frequency-domain characteristics of the wind-induced response of a guyed mast structure using measured acceleration response data obtained from the Shenzhen Meteorological Gradient Tower (SZMGT). Firstly, 734 sets of 1-hour acceleration samples measured from 0:00 October 1, 2021, to 0:00 November 1, 2021, were selected to study the vibration shapes of the mast and the characteristics of the generalized extreme value (GEV) distribution. Secondly, six sets of typical samples with different vibration intensities were further selected to explore the Gaussian property and modal parameter characteristics of the mast. Finally, the modal parameters of the SZMGT are identified and the identification results are verified by finite element analysis. The findings revealed that the guyed mast vibration shape exhibits remarkable diversity, which increases nonlinearly along the height in most cases and reaches a maximum at the top of the tower. Moreover, the GEV distribution characteristics of the 734 sets of samples are closer to the Weibull distribution. The probability distribution of the structural wind vibration response under strong wind is in good agreement with the Gaussian distribution. The structural response of the mast under wind loading exhibits multiple modes. As the structural response escalates, the first three orders of modal energy in the tower display a gradual increase in proportion.
This paper presents a finite element method to analyze the free and forced vibration of a hard disk drive (HDD) considering the flexibility of a spinning disk-spindle with fluid dynamic bearings (FDBs), an actuator with pivot bearings, an air bearing between head-disk interface and the base with complicated geometry. Finite element equation of each component is consistently derived with the satisfaction of the geometric compatibility of the internal boundary between each component. The spinning disk, hub and FDBs are modeled by annular sector elements, beam elements and stiffness and damping elements, respectively. The actuator am, E-block, suspension and base plate are modeled by tetrahedral elements. The pivot bearing in the actuator and the air bearing between head-disk interfaces are modeled by the stiffness element with five degrees of freedom and the axial stiffness, respectively. A global matrix equation obtained by assembling the finite element equations of each substructure is transformed to a state-space matrix-vector equation, and both damped natural frequencies and modal damping ratios are calculated by solving the associated eigenvalue problem with the restarted Arnoldi iteration method. Modal and shock testing are performed to show that the proposed method well predicts the vibration characteristics of a HDD.
Sanjideh, Bahador Adel;Hamzehkolaei, Azadeh Ghadimi;Hosseinzadeh, Ali Zare;Amiri, Gholamreza Ghodrati
Structural Engineering and Mechanics
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제84권4호
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pp.489-502
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2022
This paper is aimed at developing an optimization-based Finite Element model updating approach for structural damage identification and quantification. A modal flexibility-based error function is introduced, which uses modal assurance criterion to formulate the updating problem as an optimization problem. Because of the inexplicit input/output relationship between the candidate solutions and the error function's output, a robust and efficient optimization algorithm should be employed to evaluate the solution domain and find the global extremum with high speed and accuracy. This paper proposes a new multi-stage Selective Particle Swarm Optimization (SPSO) algorithm to solve the optimization problem. The proposed multi-stage strategy not only fixes the premature convergence of the original Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, but also increases the speed of the search stage and reduces the corresponding computational costs, without changing or adding extra terms to the algorithm's formulation. Solving the introduced objective function with the proposed multi-stage SPSO leads to a smart feedback-wise and self-adjusting damage detection method, which can effectively assess the health of the structural systems. The performance and precision of the proposed method are verified and benchmarked against the original PSO and some of its most popular variants, including SPSO, DPSO, APSO, and MSPSO. For this purpose, two numerical examples of complex civil engineering structures under different damage patterns are studied. Comparative studies are also carried out to evaluate the performance of the proposed method in the presence of measurement errors. Moreover, the robustness and accuracy of the method are validated by assessing the health of a six-story shear-type building structure tested on a shake table. The obtained results introduced the proposed method as an effective and robust damage detection method even if the first few vibration modes are utilized to form the objective function.
In most researches on the ride comfort analysis of passenger vehicles, the flexibility of the vehicle body has been not considered as an important factor, because the resonance frequencies of the vehicle body related to pitching, yawing and rolling motions are below 10Hz while the resonance frequencies of the vehicle body related to the flexibility are above 20Hz approximately. Nevertheless, the paper shows that the consideration of the local flexibility (or local stiffness) of the 4 corners on which shock absorbers are mounted influences the ride comfort. A simple beam model is devised to qualitatively examine the effect of the change of the local stiffness of the vehicle body on the ride comfort. Based on the results obtained from the analysis of the one-dimensional model, multi-body dynamic analysis considering the flexibility of the vehicle body is performed using ADAMS and MSC/NASTRAN. Natural frequencies and mode shapes computed by MSC/NASTRAN are used as input data for multi-body dynamic analysis in ADAMS. Through simulations using ADAMS, it has been found that the ride comfort can be improved by changing the local stiffness of the vehicle body and that the simulation results agree with experiment results.
This paper presents analysis of dynamic characteristics of a high-speed milling spindle with a drawbar and a built-in motor. The spindle system with a built-in motor can be used to simplify the structure of machine tools, to improve the machining flexibility of machine tools, and to perform the high speed machining. In this system the shaft is usually assumed as a rigid rotor. In this paper, the modal characteristics of drawbar in high-speed milling spindle system due to supporting stiffness between drawbar and shaft and considering the mass and stiffness effects of the built-in motor's rotor are analyzed by numerical method. The result shows enough stiff supports must be provided between shaft and drawbar to prevent occurring drawbar vibration lower than the natural frequency of 1st bending mode of spindle. And considering the mass and stiffness of built-in motor's rotor is important thing to derive more accurate results.
This paper presents a finite element method to analyze the free vibration of a flexible HDD composed of the spinning disk-spindle system with fluid dynamic bearings(FDBs), the head-suspension-actuator with pivot bearings, and the base plate with complicated geometry. Experimental modal testing shows that the proposed method well predicts tue vibration characteristics of a HDD. This research also shows that even the vibration motion of the spinning disk corresponding to half-speed whirl and the pure disk mode are transferred to a head-suspension-actuator and base plate through the air bearing and the pivot bearing consecutively. The proposed method can be effectively extended to investigate the forced vibration of a HDD and to design a robust HDD against shock.
In this work, a bilateral control for a master-slave manipulator system which will be used for handling objects contaminated by radioactivity has been addressed. The links of manipulators are driven independently by individual motors installed on the base and the driving torque is transmitted through pre-tensioned tendons. The measurable variables are the positions and rates of master/slave motors. In the consideration of the flexibility of the tendon and available measurements for control, we proposed an optimal static output feedback control for possible bilateral control architecture. By using modal analysis, the system model is reduced to guarantee the detectability which is a necessity for the static output feedback control design. Based on the reduced model, the control gains are determined to attenuate vibration in the sense of optimality. The feasibility of the proposed control design was verified along with some simulation results.
This paper presents a finite element method to analyze the free vibration of a flexible HDD composed of the spinning disk-spindle system with fluid dynamic bearings(FDBs), the head-suspension-actuator with pivot bearings, and the base plate with complicated geometry. Experimental modal testing shows that the proposed method well predicts the vibration characteristics of a HDD. This research also shows that even the vibration motion of the spinning disk corresponding to half-speed whirl and the pure disk mode are transferred to a head-suspension-actuator and base plate through the air bearing and the pivot bearing consecutively. The proposed method can be effectively extended to investigate the forced vibration of a HDD and to design a robust HDD against shock.
Mobile devices have become an important part of daily life. This is especially true of laptop PCs, which are portable enough to be used almost anywhere. Laptop PCs, however, cannot be nomadic if each component is not robust enough to endure rugged laptop operating environment. Generally, external shock makes collision on head-disk interface and damage to read-write performance. To minimize the likelihood of failure, shock analysis must be incorporated into the design of hard disk drive in laptop. This research explores the structure modification of laptop HDD base, for improving shock performance using finite element analysis which considers the flexibility of whole HDD structure. FE model is verified by modal test and finely tuned. Then we obtained the transmitted acceleration of spindle and pivot and the relative displacement between disk and slider head as shock response. Based on shock simulation, the structural dynamics modification is performed and the primary design parameters are extracted.
Since tram has the advantages to reduce construction cost of infrastructure, to improve accessibility of passengers, and to offer visual pleasures, nowadays, it is one of light rails attracting public attention. Tram can be classified into two groups, one is a conventional steel-wheeled type, and the other is a rubber-tired type (bi-modal tram). The bi-modal tram propelled by the serial CNG hybrid propulsion unit has been developing since 2003 in Korea, which can realize both scheduled operation of railway and route flexibility of bus. Because the bimodal will be operated on both railway mode and bus mode, however, specific criteria and regulations for its design, certification, construction, operation and maintenance have not been determined definitely yet. In consideration of mobility enhancement for the old and the handicapped, motor vehicle safety standard and urban transit (railway vehicle) safety standard, several design specifications were proposed for car body and interiors of the bimodal tram vehicle. The design specifications proposed in this paper can be expected to promote passengers' comfort and safety, operation efficiency of the bimodal tram.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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