The vibration of a curved pipe conveying fluid is studied when the pipe is clamped at both ends. To consider the geometric nonlinearity, this study adopts the Lagrange strain theory for large deformation and the extensible dynamics based on the Euler-Bernoulli beam theory for slenderness assumption. By using the extended Hamilton principle, the non-linear partial differential equations are derived for the in-plane motions of the pipe. The linear and non-linear terms in the governing equations are compared with those in the previous study, and some significant differences are discussed. To investigate the vibration characteristics of the system, the discretized equations of motion are derived from the Galerkin method. The natural frequencies varying with the flow velocity are computed from the two cases, which one is the linear problem and the other is the linearized problem in the neighborhood of the equilibrium position. From these results, we should consider the geometric nonlinearity to analyze the dynamics of a curved pipe conveying fluid more precisely.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.677-682
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2003
The non-linear dynamic characteristics of a semi-circular pipe conveying fluid are investigated when the pipe is clamped at both ends. To consider the geometric non-linearity for the radial and circumferential displacements, this study adopts the Lagrange strain theory for large deformation and the extensible dynamics based on the Euler-Bernoulli beam theory for slenderness assumption. By using the Hamilton principle, the non-linear partial differential equations are derived for the in-plane motions of the pipe, considering the fluid inertia forces as a kind of non-conservative forces. The linear and non-linear terms in the governing equations are compared with those in the previous study, and some significant differences are discussed. To investigate the dynamic characteristics of the system, the discretized equations of motion are derived form the Galerkin method. The natural frequencies varying with the flow velocity are computed fen the two cases, which one is the linear problem and the other is the linearized problem in the neighborhood of the equilibrium position. Finally, the time responses at various flow velocities are directly computed by using the generalized- method. From these results, we should to describe the non-linear behavior to analyze dynamics of a semi-circular pipe conveying fluid more precisely.
Ibrahimbegovic, Adnan;Mejia-Nava, Rosa Adela;Hajdo, Emina;Limnios, Nikolaos
Coupled systems mechanics
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v.11
no.2
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pp.167-198
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2022
In this paper we deal with classical instability problems of heterogeneous Euler beam under conservative loading. It is chosen as the model problem to systematically present several possible solution methods from simplest deterministic to more complex stochastic approach, both of which that can handle more complex engineering problems. We first present classical analytic solution along with rigorous definition of the classical Euler buckling problem starting from homogeneous beam with either simplified linearized theory or the most general geometrically exact beam theory. We then present the numerical solution to this problem by using reduced model constructed by discrete approximation based upon the weak form of the instability problem featuring von Karman (virtual) strain combined with the finite element method. We explain how such numerical approach can easily be adapted to solving instability problems much more complex than classical Euler's beam and in particular for heterogeneous beam, where analytic solution is not readily available. We finally present the stochastic approach making use of the Duffing oscillator, as the corresponding reduced model for heterogeneous Euler's beam within the dynamics framework. We show that such an approach allows computing probability density function quantifying all possible solutions to this instability problem. We conclude that increased computational cost of the stochastic framework is more than compensated by its ability to take into account beam material heterogeneities described in terms of fast oscillating stochastic process, which is typical of time evolution of internal variables describing plasticity and damage.
Kim, Myung-Il;Jung, Dae-Yong;Kim, Su-Min;Lee, Jin-Kyu;Choi, Mun-Hyun;Kim, Ho-Yoon
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.20
no.5
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pp.627-635
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2019
A programmable drone is a drone developed not only to experience the basic principles of flight but also to control drones through Arduino-based programming. Due to the nature of the training drones, the main users are students who are inexperienced in controlling the drones, which often cause frequent collisions with external objects, resulting in high damage to the drones' frame. In this study, the structural stability of the drone was evaluated by means of a structural dynamics based collision simulation for educational drone frame. Collision simulations were performed on three cases according to the impact angle of $0^{\circ}$, $+15^{\circ}$ and $-15^{\circ}$, using an analytical model with approximately 240,000 tetrahedron elements. Using ANSYS LS-DYNA, which provides excellent functions for the simulation of the dynamic behavior of three-dimensional structures, the stress distribution and strain generated on the drone upper, the drone lower, and the ring assembly were analyzed when the drones collided against the wall at a rate of 4 m/s. Safety factors resulting from the equivalent stress and the yield strain were calculated in the range of 0.72 to 2.64 and 1.72 to 26.67, respectively. To ensure structural stability for areas where stress exceeds yield strain and ultimate strain according to material properties, the design reinforcement is presented.
Kaci, Abdelhakim;Tounsi, Abdelouahed;Bakhti, Karima;Adda Bedia, El Abbas
Steel and Composite Structures
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v.12
no.6
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pp.491-504
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2012
In this paper, the nonlinear cylindrical bending of simply supported, functionally graded nanocomposite plates reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), is studied. The plates are subjected to uniform pressure loading in thermal environments and their geometric nonlinearity is introduced in the strain-displacement equations based on Von-Karman assumptions. The material properties of SWCNTs are assumed to be temperature-dependent and are obtained from molecular dynamics simulations. The material properties of functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTCRs) are assumed to be graded in the thickness direction, and are estimated through a micromechanical model. The governing equations are reduced to linear differential equation with nonlinear boundary conditions yielding a simple solution procedure. Numerical results are presented to show the effect of the material distribution on the deflections and stresses.
This paper deals with numerical modeling of dynamic failure phenomena in rate-sensitive brittle and/or ductile materials. To this end, a two-dimensional continuum viscodamage-embedded discontinuity model, which is based on our previous work (see Do et al. 2017), is developed. More specifically, the pre-peak nonlinear and rate-sensitive hardening response of the material behavior, representing the fracture-process zone creation, is described by a rate-dependent continuum damage model. Meanwhile, an embedded displacement discontinuity model is used to formulate the post-peak response, involving the macro-crack creation accompanied by exponential softening. The numerical implementation in the context of the finite element method exploiting the second-order mid-point scheme is discussed in detail. In order to show the performance of the model several numerical examples are included.
Various methods for determining the damping ratio have been proposed by scholars both domestically and abroad. However, no comparative analysis of different determination methods has been seen yet. In this study, typical sand (Fujian standard sand) and cohesive soils were selected as experimental objects, and undrained strain-controlled dynamic triaxial tests were conducted. The differences between existing damping ratio determination methods were theoretically compared and analyzed. The results showed that the hysteresis curve of cohesive soils had better symmetry and more closely conformed to the definition of equivalent linear viscoelasticity. For non-cohesive soils, the differences in damping ratio determined by six methods were significant. The differences decreased with increasing confining pressure and relative density, but increased gradually with increasing shear strain, especially at high shear strains, where the maximum relative error reached 200%. For cohesive soils, the differences in damping ratio determined by six methods were relatively small, with a maximum relative error of about 50%. Moreover, they were less affected by effective confining pressure and had the same changing trend under different effective confining pressures. The damping ratio determination method has a large effect on the seismic response of soils distributed by non-cohesive soils, with a maximum relative error of about 15% for the PGA and up to about 30% for the Sa. However, for soil layers distributed by cohesive soils, the damping ratio determination method has less influence on the seismic response. Therefore, it is necessary to adopt a unified damping ratio determination method for non-cohesive soils, which can effectively avoid artificial errors caused by different determination methods.
In this paper, the energy-based plastic-damage model previously proposed by the authors [International Journal of Solids and Structures, 43(3-4): 583-612] is first simplified with an empirically defined evolution law for the irreversible strains, and then it is extended to its rate-dependent version to account for the strain rate effect. Regarding the energy dissipation by the motion of the structure under dynamic loadings, within the framework of continuum damage mechanics a new damping model is proposed and incorporated into the developed rate-dependent plastic-damage mode, leading to a unified constitutive model which is capable of directly considering the damping on the material scale. Pertinent computational aspects concerning the numerical implementation and the algorithmic consistent modulus for the unified model are also discussed in details, through which the dynamic nonlinear analysis of damping structures can be coped with by the same procedures as those without damping. The proposed unified plastic-damage model is verfied by the simulations of concrete specimens under different quasistatic and high rate straining loading conditions, and is then applied to the Koyna dam under earthquake motions. The numerical predictions agree fairly well with the results obtained from experimental tests and/or reported by other investigators, demonstrating its capability for reproducing most of the typical nonlinear performances of concrete under quasi-static and dynamic loading conditions.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.7
s.100
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pp.836-842
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2005
Nonlinear dynamic characteristics of active piezolaminated plates are investigated with respect to the thermopiezoelastic behaviors. For largely deformed structures with small strain, the incremental total Lagrangian formulation is presented based on the virtual work principles. A multi-field layer-wise finite shell element is proposed for assuring high accuracy and non-linearity of displacement, electric and thermal fields. For dynamic consideration of thermopiezoelastic snap-through phenomena, the implicit Newmark's scheme with the Newton-Raphson iteration is implemented for the transient response of various piezolaminated models with symmetric or eccentric active layers. The bifurcate thermal buckling of symmetric structural models is first investigated and the characteristics of piezoelectric active responses are studied for finding snap-through piezoelectric potentials and the load-path tracking map. The thermoelastic stable and unstable postbuckling, thermopiezoelastic snap-through phenomena with several attractors are proved using the nonlinear time responses for various initial conditions and damping loss factors. Present results show that thermopiezoelastic snap-through phenomena can result in the difficulty of buckling and postbuckling control of intelligent structures.
Kim, Chan-Jung;Ju, Hyung-Jun;Shin, Sung-Young;Kwon, Sung-Jin;Lee, Bong-Hyun
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2011.10a
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pp.488-493
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2011
Authors previously suggested the design sensitivity analysis based on transmissibility function and identified the sensitivity of measured point over the small modification of system dynamics. On the other hand, the acceleration data will not reveal the strain information at the same location and authors suggested energy isoclines that successfully predict the fatigue damage on the interesting location to overcome the drawback of acceleration over fatigue society. Both of methodologies, sensitivity analysis and fatigue damage prediction, commonly use the response acceleration response as main indicator. In this paper, authors investigate the advanced method of vibration fatigue prediction using design sensitivity analysis to enhance the accuracy of predicted accumulated fatigue. Uni-axial vibration testing is performed with finite element model of a simple notched specimen and the prediction of fatigue damage at notched location is conducted for accelerations at different measurement locations that show different sensitivity contribution, either.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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