This paper presents a restart iterative approach for time-domain flutter analysis of long-span bridges using the commercial FE package ANSYS. This approach utilizes the recursive formats of impulse-response-function expressions for bridge's aeroelastic forces. Nonlinear dynamic equilibrium equations are iteratively solved by using the restart technique in ANSYS, which enable the equilibrium state of system to get back to last moment absolutely during iterations. The condition for the onset of flutter instability becomes that, at a certain wind velocity, the amplitude of vibration is invariant with time. A long-span suspension bridge was taken as a numerical example to verify the applicability and accuracy of the proposed method by comparing calculated results with wind tunnel tests. The proposed method enables the bridge designers and engineering practitioners to carry out time-domain flutter analysis of bridges in commercial FE package ANSYS.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2013.04a
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pp.522-527
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2013
In this study, dynamic response control of a flexible wing such as gust loads alleviation using sliding mode control method is presented. To achieve this purpose, trailing edge control surface of a flexible wing is used as control means generating the aerodynamic control force. Aeroservoelastic CASE) model consisting of aeroelastic plant, control surface actuator model, and gust model depicting the atmospheric turbulence is formulated in the state space. A sliding mode controller based on the estimated state vector is designed for active dynamic response control of flexible wing aeroservoelastic model. The performance of the controller designed is demonstrated via numerical simulation for the representative flexible wing model under atmospheric turbulence loading.
Tuned vibration control in aeroelasticity of slender wood bridges is treated in present paper. The approach suggested takes into account multiple functions in aeroelastic analysis and flutter of slender wood bridges subjected to laminar and turbulent wind flow. Tuned vibration control approach is presented with application on actual bridge. Some results obtained are discussed.
Vortex-induced oscillation is a type of aeroelastic phenomenon, to which extended structures such as long-span bridges are most susceptible. The vortex-induced vibration (VIV) behaviors of a concerned bridge were investigated conventionally in virtue of wind tunnel tests on string-mounted sectional models. This necessitates the building of a linkage between the response of the sectional model and that of the prototype structure. Although many released literatures have related to this issue and provided suggestions, there is a lack of consistency among them. In this study, some theoretical models describing the vortex-induced structural motion, including the linear empirical model, the nonlinear empirical model and the modified (or generalized) nonlinear empirical model, are firstly reviewed. Then, the concept of equivalent mass density is introduced based on the principle that an equal input of energy should result in identical structural amplitudes. Based on these, the theoretical linkages between the amplitude of a section model and that corresponding to the prototype bridge are discussed with different analytical models. Theoretical derivation indicates that such connections are dependent mainly on two factors, one is the presupposed shape of deformation, and the other is the theoretical VIV model employed. The theoretical analysis in this study shows that, in comparison to the nonlinear empirical models, the linear one can result in obvious larger estimations of the full bridges' responses, especially in cases of cable-stayed bridges.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.11
no.2
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pp.145-153
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2010
In this work, the comprehensive structural dynamics codes including DYMORE and CAMRAD II are used to validate the higher harmonic control aeroacoustic rotor test (HART) II data in descending flight condition. A total of 16 finite elements along with 17 aerodynamic panels are used for the CAMRAD II analysis; whereas, in the DYMORE analysis, 10 finite elements with 31 equally-spaced aerodynamic panels are utilized. To improve the prediction capability of the DYMORE analysis, the finite state dynamic inflow model is upgraded with a free vortex wake model comprised of near shed wake and trailed tip vortices. The predicted results on aerodynamic loads and blade motions are correlated with the HART II measurement data for the baseline, minimum noise and minimum vibration cases. It is found that an improvement of solution, especially for blade vortex interaction airloads, is achieved with the free wake method employed in the DYMORE analysis. Overall, fair to good correlation is achieved for the test cases considered in this study.
Across-wind aerodynamic damping ratios are identified from the wind-induced acceleration responses of 15 aeroelastic models of rectangular super-high-rise buildings in various simulated wind conditions by using the random decrement technique. The influences of amplitude-dependent structural damping ratio and natural frequency on the estimation of the aerodynamic damping ratio are discussed and the identifying method for aerodynamic damping is improved at first. Based on these works, effects of turbulence intensity $I_u$, aspect ratio H/B, and side ratio B/D on the across-wind aerodynamic damping ratio are investigated. The results indicate that turbulence intensity and side ratio are the most important factors that affect across-wind aerodynamic damping ratio, whereas aspect ratio indirectly affects the aerodynamic damping ratio by changing the response amplitude. Furthermore, empirical aerodynamic damping functions are proposed to estimate aerodynamic damping ratios at low and high reduced speeds for rectangular super-high-rise buildings with an aspect ratio in the range of 5 to 10, a side ratio of 1/3 to 3, and turbulence intensity varying from 1.7% to 25%.
Kim, Yo-Han;Kim, Dong-Hyun;Hwang, Mi-Hyun;Kim, Kyung-Hee;Hwang, Byung-Sun;Hong, Un-Sung
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.14
no.3
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pp.39-44
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2011
In this study, performance analyses have been conducted for a 5MW class 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. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with K-${\epsilon}$ 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. Predicted aerodynamic performance considering structural deformation effect of the blade show different results compared to the case of rigid blade model.
In its 90 years of life, the Tuned Mass Damper have found application in many fields of engineering as a vibration reducing device. The evolution of the theory of TMDs is briefly outlined in the paper. A generalised mathematical linear model for the analysis of the response of line-like structures with TMDs is presented. The system matrices of the system including the TMDs are written in the state space as a function of the mean wind speed. The stability of the system can be analysed and the Power Spectral Density Function of any response parameter calculated, taking into account an arbitrary number of modes of vibration as well as an arbitrary number of TMDs, for any given PSDF of the excitation. The procedure can be used to optimise the number, position and mechanical properties of the damping devices, with respect to any response parameter. Due to the stationarity of the excitation, the method is well suited to structures subjected to the wind action. In particular the procedure allows the calculation of the onset galloping wind speed and the response to buffeting, and a linearisation of the aeroelastic behaviour allows its use also for the evaluation of the response to vortex shedding. Finally three examples illustrate the suggested procedure.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.6
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pp.503-508
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2007
In this study, the aeroelastic response and stability of bearingless rotors are investigated using a large deflection beam theory. The outboard main blade, flexbeam, and torque tube are all assumed to be an elastic beam undergoing arbitrary large displacements and rotations. The finite element equations of motion obtained from Hamilton's principle. Two-dimensional quasi-steady strip theory is used to evaluate aerodynamic forces. In hover, the modal approach method based on coupled rotating natural modes is used for the stability analysis. In forward flight, the nonlinear periodic blade steady response is obtained by integrating the full finite element equation in time through a coupled trim procedure with a vehicle trim. The results of the full finite element analysis using the large deflection beam theory are compared with those of a previously published modal analysis using the moderate deflection-type beam theory.
A finite element aerodynamic model that can be used to analyse flutter instability of long span bridges in the time domain is presented. This approach adopts a simplified quasi-steady formulation of the wind forces neglecting the vortex shedding effects. The governing equations used are effective only for reduced velocities $V^*$ sufficiently great: this is generally acceptable for long-span suspension bridges and, then, the dependence of the wind forces expressions of the flutter derivatives can be neglected. The procedure describes the mechanical response in an accurate way, taking into account the non-linear geometry effects (large displacements and large strains) and considering also the compressed locked coil strands instability. The time-dependence of the inertia force due to fluid structure interaction is not considered. The numerical examples are performed on the three-dimensional finite element model of the Great Belt East Bridge (DK). A mode frequency analysis is carried out to validate the model and the results show good agreement with the experimental measurements of the full bridge aeroelastic model in the wind tunnel tests. Significant parameters affecting bridge response are introduced and accurately investigated.
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