Moving parts of the rotating and reciprocating mechanism are the most important components of the diesel engines and require very high reliability in their design. Especially the crankshaft, the key component of running gear (powertrain), is subject to complicated loadings such as bending, shear and torsion coming from firing pressure, inertia forces and torsional vibration of crankshaft system. Intrinsically they show different cyclic patterns of loading in both direction and magnitude, and thus ordinary approach of proportional loading is less valid to analyze the dynamic structural behavior of crankshaft. In this paper, new fatigue analysis method is introduced to analyze and design the crankshaft of a medium-speed diesel engine in order to consider the non-proportional multi-axial loads realistically as well as to present the general fatigue analysis approach for an engine crankshaft.
Derivation procedures of exact dynamic stiffness matrices of thin-walled curved beams subjected to axial forces are rigorously presented for the spatial free vibration analysis. An exact dynamic stiffness matrix is established from governing equations for a uniform curved beam element with nonsymmetric thin-walled cross section. Firstly this numerical technique is accomplished via a generalized linear eigenvalue problem by introducing 14 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. Thus, displacement functions of dispalcement parameters are exactly derived and finally exact stiffness matrices are determined using element force-displacement relationships. The natural frequencies of the nonsymmetric thin-walled curved beam are evaluated and compared with analytical solutions or results by ABAQUS's shell elements in order to demonstrate the validity of this study.
This paper predicts the combined resonance behavior of the truncated conical shells (TCSs) under transverse and parametric coupled excitation. The motion governing equation is formulated in the framework of high-order shear deformation theory, von Kármán theory and Hamilton principle. The displacements and boundary conditions are characterized by a set of displacement shape functions with double Fourier series. Subsequently, the method of varying amplitude (MVA) is utilized to derive the approximate analytical solution of system response of TCSs. A comparative analysis is conducted to verify the accuracy of the current computational method. Additionally, the interaction mechanism of combined resonance, parametric resonance and primary resonance is examined. And the effect of damping coefficient, the external excitation, initial phase, axial motion speed, temperature variation, humidity variation, material properties and semi-vortex angle on the vibration mechanism are analyzed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.2
no.3
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pp.75-86
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1982
The degeneration of two classes of thick beam elements has been conducted, one (DB6) based on the conventional Timoshenko beam assumptions whereas the other (DB7) based on the assumed cubic axial displacement profile. While an adjustable shear correction factor is required for the DB 6 element to compensate for the unrealistic distribution of shear strain across the thickness, the DB 7 element assumes the more realistic quadratic profile of shear strain at the outset. With the plane-stress continuum solution as reference, solutions obtained by these two element models are compared with the analytical Timoshenko solution, the analytical thin beam solution and several available solutions of other existing beam elements. The result indicates that the performance of the higher order beam element DB 7 is consistently superior to any others. This is true for the whole range of aspect ratios of beam, in both static and free vibration analyses.
The paper presents the results of an experimental investigation conducted on welded tubular joints, that are employed in offshore platforms, to study the behaviour and strength of these joints under axial brace compression loading. The geometrical configuration of the joints tested were T and Y. The nominal diameter of the chord and brace members of the joint were 324 and 219 mm respectively. The chord thickness was 12 mm and the brace 8 mm. The tested joints are approximately quarter size when compared to the largest joints in the platforms built in a shallow water depth of 80 m in the Bombay High field. Some of the joints were actually fabricated by a leading offshore agency which firm is directly involved in the fabrication of prototype structures. Strength of the internally ring-stiffened joints was found to be almost twice that of the unstiffened joints of the same configuration and dimensions. Bending of the chord as a whole was observed to be the predominant mode of deformation of the internally ring-stiffened joints in contrast to ovaling and punching shear of the unstiffened joints. It was observed in this investigation that unstiffened joint was stiffer in ovaling mode than in bending and that midspan deflection of unstiffened joint was insignificant when compared to that of the internally ring stiffened joint. The measured midspan deflection of the unstiffened joint in this investigation and its relation with the applied axial load compares very well with that predicted for the brace axial displacement by energy method published in the literature. A comparison of the measured deflection and ovaling of the unstiffened joint was made with that published by the author elsewhere in which numerical prediction of both quantities have been made using ANSYS software package. The agreement was found to be quite good.
Acoustic streaming induced by the microscopic longitudinal ultrasonic vibration at 28.5 ㎑ is visualized between the quiescent glass plate and ultrasonic vibrator by particle imaging velocimetry(PIV) using laser. To investigate the augmentation of air flow velocity of acoustic streaming. the velocity variations of air streaming between the stationary plate and ultrasonic vibrator are measured in real-time. It is experimentally investigated that the magnitude of the acoustic streaming dependent upon the gap between the ultrasonic vibrator and stationary p1ate results in the variations of the average velocity fields as a outcome of the bulk air flow caused by the ultrasonic vibration. In addition. maximum acoustic streaming velocity exists at resonant gap. 18mm that is one of the resonant gaps (H=18, 24, 30, 36㎜) at which resonance occurs. The variation of the local maximum turbulent intensity with axial direction appear to reveal the value of 8%∼70% dependent upon the gap between the quiescent glass plate and ultrasonic vibrator. Shearstress is also maximized at the center region of the vibrator and the vorticity is also maximum and minimum in the neighborhood of the center of the vibrator at which the local maximum turbulent intensity and shear stress exist.
Zhao, Li-Cai;Chen, Shi-Shuenn;Khajehzadeh, Mohammad;Yousif, Mariwan Araz;Tahouneh, Vahid
Steel and Composite Structures
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v.43
no.1
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pp.91-106
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2022
This paper has focused on presenting a three dimensional theory of elasticity for free vibration of 3D-graphene foam reinforced polymer matrix composites (GrF-PMC) cylindrical panels resting on two-parameter elastic foundations. The elastic foundation is considered as a Pasternak model with adding a Shear layer to the Winkler model. The porous graphene foams possessing 3D scaffold structures have been introduced into polymers for enhancing the overall stiffness of the composite structure. Also, 3D graphene foams can distribute uniformly or non-uniformly in the shell thickness direction. The effective Young's modulus, mass density and Poisson's ratio are predicted by the rule of mixture. Three complicated equations of motion for the panel under consideration are semi-analytically solved by using 2-D differential quadrature method. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. Because of using two-dimensional generalized differential quadrature method, the present approach makes possible vibration analysis of cylindrical panels with two opposite axial edges simply supported and arbitrary boundary at the curved edges. It is explicated that 3D-GrF skeleton type and weight fraction can significantly affect the vibrational characteristics of GrF-PMC panel resting on two-parameter elastic foundations.
This paper describes the refined 3-D finite element (FE) modeling of composite frames composed of concrete-filled steel tubular (CFST) columns and steel-concrete composite beams based on the test to get a better understanding of the seismic behavior of the steel-concrete composite frames. A number of material nonlinearities and contact nonlinearities, as well as geometry nonlinearities, were taken into account. The elastoplastic behavior, as well as fracture and post-fracture behavior, of the FE models were in good agreement with those of the specimens. Besides, the beam and panel zone deformation of the analysis models fitted well with the corresponding deformation of the specimens. Parametric studies were conducted based on the refined finite elememt (FE) model. The analyzed parameters include slab width, slab thickness, shear connection degree and axial force ratio. The influences of these parameters, together with the presence of transverse beam, on the seismic behavior of the composite frame were studied. And some advices for the corresponding seismic design provisions of composite structures were proposed.
The effect of pipe breaks in the secondary side is investigated as a part of the fuel assembly qualification program. Using the detailed dynamic analysis of a reactor core, peak responses for the motions induced from pipe breaks are obtained for a detailed core model. The secondary side pipe breaks such as main steam line and economizer feedwater line braksare considered because leak-before-break methodology has provided a technical basis for the elimination of double ended guillotine breaks of all high energy piping systems with a diameter of 10 inches or over in the primary side from the design basis. The dynamic responses such as fuel assembly shear force, bending moment, axial force and displacement, and spacer grid impact loads are carefully investigated. Also, the stress analysis is performed and the effect of the secondary side pipe breaks on the fuel assembly structural integrity under the faulted condition is addressed.
The current study investigates the dynamic effects in the tornado-structure response of an aeroelastic self-supported lattice transmission tower model tested under laboratory simulated tornado-like vortices. The aeroelastic model is designed for a geometric scale of 1:65 and tested under scaled down tornadoes in the Wind Engineering, Energy and Environment (WindEEE) Research Institute. The simulated tornadoes have a similar length scale of 1:65 compared to the full-scale. An extensive experimental parametric study is conducted by offsetting the stationary tornado center with respect to the aeroelastic model. Such aeroelastic testing of a transmission tower under laboratory tornadoes is not reported in the literature. A multiaxial load cell is mounted underneath the base plate to measure the base shear forces and overturning moments applied to the model in three perpendicular directions. A three-axis accelerometer is mounted at the level of the second cross-arm to measure response accelerations to evaluate the natural frequencies through a free-vibration test. Radial, tangential, and axial velocity components of the tornado wind field are measured using cobra probes. Sensitivity analyses are conducted to assess the variation of the structural dynamic response associated with the location of the tornado relative to the lattice transmission tower. Three different layouts representing the change in the orientation of the tower model relative to the components of the tornado-induced loads are considered. The structural responses of the aeroelastic model in terms of base shear forces, overturning moments, and lateral accelerations are measured. The results are utilized to understand the dynamic response of self-supported transmission towers to the tornado-induced loads.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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