This research studies the dynamic analysis of a concrete column reinforced with titanium dioxide ($TiO_2$) nanoparticles under earthquake load. The effect of nanoparticles accumulation in a region of concrete column is examined using Mori-Tanaka model. The structure is simulated mathematically based on the theory of sinusoidal shear deformation theory (SSDT). By calculating strain-displacement and stress-strain relations, the system energies include potential energy, kinetic energy, and external works are derived. Then, using the Hamilton's principle, the governing equations for the structure are extracted. Using these equations, the response of the concrete column under earthquake load is investigated using the numerical methods of differential quadrature (DQ) and Newark. The purpose of this study is to study the effects of percentage of nanoparticles, nanoparticles agglomeration, geometric parameters and boundary conditions on the dynamic response of the structure. The results indicate that by increasing the volume percent of $TiO_2$ nanoparticles, the maximum dynamic deflection of the structure decreases.
This paper presents a beam finite element model of a vibrate wind blade in large elastic deformation subjected to the aerodynamic, centrifugal, gyroscopic and gravity loads. The gyroscopic loads applied to the blade are induced by her simultaneous vibration and rotation. The proposed beam finite element model is based on a simplex interpolation method and it is mainly intended to the numerical analysis of wind blades vibration in large elastic deformation. For this purpose, the theory of the sheared beams and the finite element method are combined to develop the algebraic equations system governing the three-dimensional motion of blade vibration. The applicability of the theoretical approach is elucidated through an original case study. Also, the static deformation of the used wind blade is assessed by appropriate software using a solid finite element model in order to show the effectiveness of the obtained results. To simulate the nonlinear dynamic response of wind blade, the predictor-corrector Newmark scheme is applied and the stability of numerical process is approved during a large time of blade functioning. Finally, the influence of the modified geometrical stiffness on the amplitudes and frequencies of the wind blade vibration induced by the sinusoidal excitation of gravity is analyzed.
Ferezghi, Yaser Sadeghi;Sohrabi, Mohamad R.;MosaviNezhad, Seyed M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.6
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pp.659-669
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2018
The Dynamic equations in the polar coordinates are drawn out using the MLPG method for the non-symmetric FG cylindrical shell. To simulate the mechanical properties of FGM, the nonlinear volume fractions for radial direction are used. The shape function applied in this paper is a form of the radial basis functions, by using this function all the requirements for an effective and suitable shape function are established. Hence in this study, the multiquadrics (MQ) radial basis functions are exploited as the shape function governing the problem. The MLPG method is combined with the the Newmark time approximation scheme to solve dynamic equations in the time domain. The obtained results by the MLPG method to be verified are compared with the analytical solution and the FEM. The obtained results through the MLPG method show a good agreement in comparison to other results and the MLPG method has high accuracy for dynamic analysis of the non-symmetric FG cylindrical shell. To demonstrate the capability of the present method to dynamic analysis of the non-symmetric FG cylindrical shell, it is analyzed dynamically with different volume fraction exponents under harmonic and rectangular shock loading. The present method shows high accuracy, efficiency and capability to dynamic analysis of the non-symmetric FG cylindrical shell with nonlinear grading patterns.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.04a
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pp.121-128
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1999
This paper presents a time domain method for soil-structure interaction analysis for seismic loadings. It is based on the finite element formulation incorporating analytical frequency-dependent infinite elements for the far field soil. The dynamic stiffness matrices of the far field region formulated using the present method in frequency domain can be easily transformed into the corresponding matrices in time domain. At first, the equivalent earthquake forces are evaluated along the interface between the near and the far fields from the free-field response analysis carried out in frequency domain, and the results are transformed into the time domain. An efficient procedure is developed for the convolution integrals to evaluate the interaction force along the interface, which depends on the response on the interface at the past time instances as well as the concurrent instance. Then, the dynamic responses are obtained for the equivalent earthquake force and the interaction force using Newmark direct integration technique. Since the response analysis is carried out in time domain, it can be easily extended to the nonlinear analysis. Example analysis has been carried out to verify the present method in a multi-layered half-space.
The evaluation of the accumulation of permanent set for inelastic structures due to wind action is important in establishing a criterion to select a reduced design wind load and in incorporating the beneficial ductile behaviour in wind engineering. A parametric study of the accumulation of the permanent set as well as the ductility demand for bilinear single-degree-of-freedom (SDOF) systems is presented in the present study. The dynamic analysis of the inelastic SDOF system is carried out using the method of Newmark for artificially generated time history of wind speed. Simulation results indicate that the mean of the normalized damage rate is highly dependent on the natural frequency of vibration. This mean value is relatively insensitive to the damping ratio if the damping ratio is larger than 5%. The scatter associated with the accumulation of the permanent set is very significant. The consideration of the postyield stiffness can significantly reduce the accumulation of the permanent set if the ratio of the yield strength to the expected peak response is small. The results also show that the ductility demand due to the wind action over a period of one hour for flexible structures can be much less than that for rigid structures or structures with larger damping ratio if the SDOF systems are designed with a reduced peak response caused by the fluctuating wind.
With taking the geometric nonlinearity of bridge structure into account, a framework is presented for predicting the dynamic responses of a long-span suspension bridge subjected to running train and turbulent wind. The nonlinear dynamic equations of the coupled train-bridge-wind system are established, and solved with the Newmark numerical integration and direct interactive method. The corresponding linear and nonlinear processes for solving the system equation are described, and the corresponding computer codes are written. The proposed framework is then applied to a schemed long-span suspension bridge with the main span of 1120 m. The whole histories of the train passing through the bridge under turbulent wind are simulated, and the dynamic responses of the bridge are obtained. The results demonstrate that the geometric nonlinearity does not influence the variation tendency of the bridge displacement histories, but the maximum responses will be changed obviously; the lateral displacement of bridge are more sensitive to the wind than the vertical ones; compared with wind velocity, train speed affects the vertical maximum responses a little more clearly.
Kim, Dong-Hyun;Kim, Yo-Han;Kim, Dong-Man;Kim, Yu-Sung;Hwang, Mi-Hyun
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.04a
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pp.68-75
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2009
In this study, aeroelastic response analyses have been conducted for a 3D wind turbine blade model. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics(CFD) and computational structural dynamics(CSD) has been developed in order to investigate detailed dynamic responsed of wind turbine blade. Vibration analyses of rotating wind-turbine blade have been conducted using the general nonlinear finite element program, SAMCEF (Ver.6.3). Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS)equations with spalart-allmaras turbulence model are solved for unsteady flow problems of the rotating turbine blade model. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3D turbine blade for fluid-structure interaction (FSI) problems. Detailed dynamic responses and instantaneous Mach contour on the blade surfaces considering flow-separation effects are presented to show the multi-physical phenomenon of the rotating wind-turbine blade model.
The tension leg platform (TLP) is a vertically moored structure with excess buoyancy. The TLP is regarded as moored structure in horizontal plan, while inherit stiffness of fixed platform in vertical plane. In this paper, a numerical study using modified Morison equation was carried out in the time domain to investigate the influence of nonlinearities due to hydrodynamic forces and the coupling effect between surge, sway, heave, roll, pitch and yaw degrees of freedom on the dynamic behavior of TLP's. The stiffness of the TLP was derived from a combination of hydrostatic restoring forces and restoring forces due to cables and the nonlinear equations of motion were solved utilizing Newmark's beta integration scheme. The effect of tethers length and wave characteristics such as wave period and wave height on the response of TLP's was evaluated. Only uni-directional waves in the surge direction was considered in the analysis. It was found that for short wave periods (i.e. 10 sec.), the surge response consisted of small amplitude oscillations about a displaced position that is significantly dependent on tether length, wave height; whereas for longer wave periods, the surge response showed high amplitude oscillations about that is significantly dependent on tether length.
Kim, Dong-Hyun;Kim, Yu-Sung;Yang, Guo Wei;Jung, Kyu-Kang;Kim, Kyung-Hee;Min, Dae-Gee
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.04a
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pp.652-653
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2009
In this study, flow-induced vibration (FIV) analyses have been conducted for a 3D compressor blade model. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics (CFD) and computational structural dynamics (CSD) has been developed in order to investigate detailed dynamic responses of designed compressor blades. Fluid domains are modeled using the computational grid system with local grid deforming and remeshing techniques. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with $\kappa-\varepsilon$ turbulence model are solved for unsteady flow problems of the rotating compressor model. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3D compressor blade for fluid-structure interaction (FSI) problems. Detailed dynamic responses and instantaneous pressure contours on the blade surfaces considering flow-separation effects are presented to show the multi-physical phenomenon of the rotating compressor blade.
In this study, a passive suppression scheme for nonlinear flutter problem of composite panel, which is believed to be more reliable than the active control methods in practical operations, is proposed. This scheme utilizes a piezoelectric inductor-resistor series shunt circuit. The finite element equations of motion for an electromechanically coupled system is derived by applying the Hamilton\\`s principle. The aerodynamic theory adopted for the present study is based on the quasi-steady piston theory, and von-barman nonlinear strain-displacement relation is also applied. The passive suppression results for nonlinear panel flutter are obtained in the time domain using the Newmark-$\beta$ method. To achieve the best damping effect, optimal shape and location of fille piezoceramic (PZT) patches are determined by using genetic algorithms. The effects of passive suppression are investigated by employing in turn one shunt circuit and two independent shunt circuits. Feasibility studies show that two independent inductor-resistor shunt circuits suppresses flutter more effectively than a single shunt circuit. The results clearly demonstrate that the passive damping scheme that uses piezoelectric shunt circuit can effectively attenuate the flutter.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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