This paper predicts the rotordynamic force coefficients of tilting pad journal bearings (TPJBs) with ball-socket pivot and compares the predictions to the published test data obtained under load-between-pad (LBP) configuration. The present TPJB model considers the pivot stiffness calculated based on the Hertzian contact stress theory. Due to the compliance of the pivot, the predicted journal eccentricity agree well with the measured journal center trajectory for increasing static loads, while the early prediction without pivot model consideration underestimates it largely. The predicted pressure profile shows the significant pressure development even on the unloaded pads along the direction opposite to the loading direction. The predicted stiffness coefficients increase as the static load and the rotor speed increase. They agree excellently with test data from open literature. The predicted damping coefficients increase as the static load increases and the rotor speed decreases. The prediction underestimates the test data slightly. In general, the current predictive model including the pivot stiffness improves the accuracy of the rotordynamic performance predictions when compared to the previously published predictions.
In this paper, we predict the rotordynamic force coefficients of tilting pad journal bearings (TPJBs) with rocker-back pivots, and we compare the predictions to recently published predictions and test data. The present TPJB model considers the rocker-back pivot stiffness calculated based on the Hertzian contact-stress theory, which is nonlinear with the application of a force . For the five-pad TPJB in load-between-pad and load-on-pad configurations, the predictions show the pressure- and film-thickness distributions, the deflection and stiffness of the individual pivots, and bearing stiffness and damping coefficients. The minimum film thickness and peak pressure occur at the bottom pad on which the applied load is directed. Because of the preload, the pres- sure is positive even at the upper pad in the opposite direction to the applied load. The pivot deflection and stiff- ness are maximum at the bottom pad that receives the heaviest pressure load. The predicted stiffness coefficients increase as the static load and rotor speed increase, while the damping coefficients decrease as the rotor speed increases, but increase as the static load increases. In general, the predicted stiffness coefficients agree well with the test data. The predicted damping coefficients overestimate the test data, particularly for large static loads. In general, the current predictive model considering the pivot stiffness improves the accuracy of the rotordynamic performance compared to previously reported models.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.1170-1176
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2006
This study aims to investigate numerically the static and dynamic stiffness characteristics of porous air bearing and to estimate appropriate permeability values of porous medium. In particular, a new roughness model is proposed and implemented into the commercial CFD code (FLUENT Ver.6.2). The predicted results are extensively compared with experimental data for static cases. The roughness model is also validated through comparison with the results from open literature. For the dynamic cases, the deforming and re-meshing technique is used for describing fluid-solid interactions. It is found that the predictions for static stiffness are in good agreement with experimental data and the dynamic stiffness appears to be relatively smaller than the static stiffness. In addition, moving and dynamic analysis of air bearing seems to be possible to provide qualitative predictions even if there are somewhat discrepancies quantitatively, compared to experimental data.
Lee, Jae Eun;Kang, Deok Soo;Lee, Byung Ho;Baek, Joo Hyun;Kim, Jung Gon;Hwang, Ki Min
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.33
no.10
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pp.821-828
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2016
Recently, the use of composite materials in the defense system has grown dramatically. The strength/weight and stiffness/weight ratios of composite structures are normally higher than of metals. Woven composites, especially, are increasingly considered for a variety of applications, because they offer good workability for complicated structures. HPW193/RS1222 is one of the most famous woven composites and has been used in many types of Korean military equipment, such as antenna pedestals and radar systems. In this study, we predicted the elastic modulus of HPW193/RS1222 using the principles of unidirectional composite stiffness predictions, such as ROM (Rule of Mixture), HSR (Hart Smith 10% Rule), CLA (Classical Laminate Analysis) and LAP (Laminate Analysis Program). We compared the dynamic characteristics with the experimental predictions and finite-element analysis (FEA). From our results we concluded that transversely isotropic materials are similar to isotropic materials when the shape of the composite structure is complicated.
Turbines have been known to be particularly susceptible to flow-induced self-excited vibration. In such vibrations, direct damping and cross stiffness effects of aerodynamic forces determine rotordynamic stability. In axial turbines with eccentric shrouded rotors, the non-uniform sealing gap causes azimuthal non-uniformities in the seal gland pressure and the turbine torque which destabilize the rotor system. Previously, research efforts focused solely on either the seal flow or the unshrouded turbine passge flow. Recently, a model for flow in a turbine with a statically offset shrouded rotor has been developed and some stiffness predictions have been obtained. The model couples the seal flow to the passage flow and uses a small perturbation approach to determine nonaxiymmetric flow conditions. The model uses basic conservation laws. Input parameters include aerodynamic parameters (e.g. flow coefficient, reaction, and work coefficient); geometric parameters (e.g. sealing gap, depth of seal gland, seal pitch, annulus height); and a prescribed rotor offset. Thus, aerodynamic stiffness predictions have been obtained. However, aerodynamic damping (i.e. unsteady aerodynamic) effects caused by a whirling turbine has not yet been examined. Therefore, this paper presents a new unsteady model to predict the unsteady flow field due to a whirling shrouded rotor in turbines. From unsteady perturbations in velocity and pressure at various whirling frequencies, not only stiffness but also damping effects of aerodynamic forces can be obtained. Furthermore, relative contributions of seal gland pressure asymmetry and turbine torque asymmetry are presented.
We present a simple and easy-to-implement lumped stiffness model to elucidate the load transfer mechanism among all individual tube shells and intertube van der Waals (vdW) interactions in transversely compressed multi-walled carbon nanotubes (CNTs). Our model essentially enables theoretical predictions to be made of the relevant transverse mechanical behaviors of multi-walled tubes based on the transverse stiffness properties of single-walled tubes. We demonstrate the validity and accuracy of our model and theoretical predictions through a quantitative study of the transverse deformability of double- and triple-walled CNTs by utilizing our recently reported nanomechanical measurement data. Using the lumped stiffness model, we further evaluate the contribution of each individual tube shell and intertube vdW interaction to the strain energy absorption in the whole tube. Our results show that the innermost tube shell absorbs more strain energy than any other individual tube shells and intertube vdW interactions. Nanotubes of smaller number of walls and outer diameters are found to possess higher strain energy absorption capacities on both a per-volume and a per-weight basis. The proposed model and findings on the load transfer and the energy absorption in multi-walled CNTs directly contribute to a better understanding of their structural and mechanical properties and applications, and are also useful to study the transverse mechanical properties of other one-dimensional tubular nanostructures (e.g., boron nitride nanotubes).
Inaccurate predictions of effective stiffness for reinforced concrete (RC) columns having plain (undeformed) longitudinal rebars may lead to unsafe performance assessment and strengthening of existing deficient frames. Currently utilized effective stiffness models cover RC columns reinforced with deformed longitudinal rebars. A database of 47 RC columns (33 columns had continuous rebars and the remaining had spliced reinforcement) that were longitudinally reinforced with plain rebars was compiled from literature. The existing effective stiffness equations were found to overestimate the effective stiffness of columns with plain rebars for all levels of axial loads. A new approach that considers the contributions of flexure, shear and bond slip to column deflections prior to yielding was proposed. The new effective stiffness formulations were simplified without loss of generality for columns with and without lap-spliced plain rebars. In addition, the existing stiffness models for the columns with deformed rebars were improved while taking poor bond characteristics of plain rebars into account.
Recent studies emphasize the importance of pivot stiffness in the analysis of tilting pad bearings (TPBs). The present paper develops a finite element model of the pad pivot and compares the predicted pivot stiffness to the results of Hertzian contact model calculations. Specifically, a finite element analysis generates tetrahedral mesh models with ~40,000 nodes for a ball-socket pivot and ~50,000 nodes for a rocker-back pivot. These models assume a frictionless boundary condition in the contact area. Increasing the applied loads on the pad in conjunction with increasing time steps ensures rapid convergence during the nonlinear numerical analysis. Predictions are performed using the developed finite element model for increasing the differential diameters between the pad pivot (or ball) and the bearing housing (or socket). The predictions show that the pivot contact area increases with decreasing differential diameters and increasing applied loads. Further, the maximum deformation occurring at the pivot center increases with increasing differential diameters and increasing applied loads. The pivot stiffness increases nonlinearly with decreasing differential diameters and increasing applied loads. Comparisons of results of the developed finite element model to those of Hertzian contact model calculations assuming a small contact area show that the latter model underestimates the pivot stiffnesses predicted by the finite element models of the ball-socket and rocker-back pivots, particularly for small differential diameters. This result implies the need for cautionduring the design of pivot stiffness by the Hertzian contact model.
The objective of this paper is to obtain three-dimensional (3D) effective properties for layered composites with imperfect interfaces using mechanics of structure genome. The imperfect interface is modeled using linear traction-displacement model that allows small infinitesimal displacement jump across the interface. The predictions obtained from the current analysis are compared with the 3D finite element analysis (FEA). In this study, it is found that the present model shows excellent agreement with the results obtained using 3D FEA by employing periodic boundary conditions. The prediction also reveals that in-plane longitudinal and shear moduli, and all Poisson's ratios are observed to be not affected by the interfacial stiffness while the predictions of transverse longitudinal and shear moduli are significantly influenced by interfacial stiffness.
This study aims to investigate numerically the static stiffness characteristics of porous air bearing and to estimate appropriate permeability values of porous medium. In particular, a new roughness model is proposed and implemented into the commercial CFD code (FLUENT Ver. 6.2) by using C language based user subroutine. The predicted results are extensively compared with experimental data. The roughness model is also validated through comparison with the results from open literature. It is found that the predictions for static stiffness are in good agreement with experimental data. Therefore, the suggested model based on the roughness Reynolds number can be used in studying the stiffness characteristics of porous air bearing effectively. In addition, numerical simulations of various diameter size and conditions are conducted. According the results, it is expected that the static stiffness of porous air bearing has the non-linear characteristics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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