This article discusses the dynamic response of Bernoulli-Euler straight beam with angular elastic supports subjected to moving load with variable velocity. A new engineering approach for determination of the dynamic effect from the moving load on the stressed and strained state of the beam has been developed. A dynamic coefficient, a ratio of the dynamic to the static deflection of the beam, has been defined on the base of an infinite geometrical absolutely summable series. Generalization of the R. Willis' equation has been carried out: generalized boundary conditions have been introduced; the generalized elastic curve's equation on the base of infinite trigonometric series method has been obtained; the forces of inertia from normal and Coriolis accelerations and reduced beam mass have been taken into account. The influence of the boundary conditions and kinematic characteristics of the moving load on the dynamic coefficient has been investigated. As a result, the dynamic stressed and strained state has been obtained as a multiplication of the static one with the dynamic coefficient. The developed approach has been compared with a finite element one for a concrete engineering case and thus its authenticity has been proved.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.22
no.7
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pp.379-390
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2018
In this study, a numerical approach based on mid-point integrated finite elements and a viscous boundary is proposed for time-domain wave-propagation analyses in infinite poroelastic media. The proposed approach is accurate, efficient, and easy to implement in time-domain analyses. In the approach, an infinite domain is truncated at some distance. The truncated domain is represented by mid-point integrated finite elements with real element-lengths and a viscous boundary is attached to the end of the domain. Given that the dynamic behaviors of the proposed model can be expressed in terms of mass, damping, and stiffness matrices only, it can be implemented easily in the displacement-based finite-element formulation. No convolutional operations are required for time-domain calculations because the coefficient matrices are constant. The proposed numerical approach is applied to typical wave-propagation and soil-structure interaction problems. The model is verified to produce accurate and stable results. It is demonstrated that the numerical approach can be applied successfully to nonlinear soil-structure interaction problems.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.72-77
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2008
Stability is a very important part which we must consider in structural design. In this paper, we take advantage of finite element method, and study about parametrical instability of star-dome structures, which is subjected to harmonically pulsating load. When calculating stiffness matrix, we consider elastic stiffness and geometrical stiffness simultaneously. In equation of motion, we represent displacements and accelerations by trigonometric series expansions, and then obtain Hill's infinite determinants. After first order approximation, we can get first and second order dynamic instability region finally.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.1
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pp.435-447
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2019
Energy Flow Finite Element Analysis (EFFEA) is a promising tool for predicting dynamic energetics of complicated structures at high frequencies. In this paper, the Energy Flow Finite Element (EFFE) formulation of complicated Mindlin plates was newly developed to improve the accuracy of prediction of the dynamic characteristics in the high frequency. Wave transmission analysis was performed for all waves in complicated Mindlin plates. Advanced Energy Flow Analysis System (AEFAS), an exclusive EFFEA software, was implemented using $MATLAB^{(R)}$. To verify the general power transfer relationship derived, wave transmission analysis of coupled semi-infinite Mindlin plates was performed. For numerical verification of EFFE formulation derived and EFFEA software developed, numerical analyses were performed for various cases where coupled Mindlin plates were excited by a harmonic point force. Energy flow finite element solutions for coupled Mindlin plates were compared with the energy flow solutions in the various conditions.
In case that an infinite length waveguide structure is connected with a finite length structure, it is required to combine a wave approach for the waveguide structure and a modal approach for the finite length structure to investigate the dynamic response of the connected target structure. In this study, the wavenumber finite element (WFE) analysis is adopted for the infinite length waveguide substructure and a finite element (FE) method is applied for the finite length substructure and then their results are coupled in terms of the impedance or mobility at the connected points between the substructures. As a structural model, an infinite length cylindrical shell with a rectangular plate inside is regarded. These two substructures are connected at the four corner points of the plate, rigidly or resiliently. From this investigation, it was confirmed that the wave approach (WFE method) and modal approach (FE method) can be combined by the impedance coupling.
The herringbone groove journal bearing (HGJB) has chevron type grooves on stationary or rotating member of the bearing so that they pump the lubricant inward the grooves when journal rotates. As a result, the pressure is generated around the journal so that the radial stiffness and dynamic stability are improved comparing to the plain journal bearing (PJB) when the bearing operates near the concentric condition. The narrow groove theory, conventionally adopted to simulate the concentric operation of HGJB, is limited to the infinite number of grooves. A numerical study of air-lubricated HGJB is presented for the finite number of grooves. The compressible isothermal Reynolds equation is solved by using Finite Element Method together with the Newton-Raphson iterative procedure and perturbation method. The solutions render the static and dynamic performances of HGJB. Comparison of present results with a PJB validates previously published finite difference solution. The HGJB's geometric parameters influence its static and dynamic characteristics. The optimum geometric parameters are presented for the air-lubricated HGJB in particular conditions.
A time domain method is presented for soil-structure interaction analysis under seismic excitations. It is based on the finite element formulation incorporating infinite elements for the far field soil region. Equivalent earthquake input forces are calculated based on the free field responses along the interface between the near and far field soil regions utilizing the fixed exterior boundary method in the frequency domain. Then, the input forces are transformed into the time domain by using inverse Fourier transform. The dynamic stiffness matrices of the far field soil region formulated using the analytical frequency-dependent infinite elements in the frequency domain can be easily transformed into the corresponding matrices in the time domain. Hence, the response can be analytically computed in the time domain. A recursive procedure is proposed to compute the interaction forces along the interface and the responses of the soil-structure system in the time domain. Earthquake response analyses have been carried out on a multi-layered half-space and a tunnel embedded in a layered half-space with the assumption of the linearity of the near and far field soil region, and results are compared with those obtained by the conventional method in the frequency domain.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1997.10a
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pp.42-49
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1997
In this paper, the method for soil-structure interaction analyses in the time domain is proposed. The far field soil region which is the outside of the artificial boundary is modeled by using explicit frequency-dependent two dimensional infinite elements which can include multiple wave components propagating into the unbounded medium. Since the dynamic stiffness matrix of the far field soil region using the proposed infinite elements is obtained explicitly in terms of exciting frequencies and constants in the frequency domain, the matrix can be easily transformed into the displacement unit-impulse response matrix, which corresponds to a convolution integral of it in the time domain. To verify the proposed method for soil-structure interaction analyses in the time domain, the displacement responses due to an impulse load on the surface of a soil layer with the rigid bed rock are compared with those obtained by the method in the frequency domain and those by models with extend finite element meshes. Good agreements have been found between them.
The asphalt-concrete trackbed system has many advantages in terms of maintenance and economics. However, methods to investigate practical use corresponding to the development of the trackbed system must be developed. The primary objective of this study was to evaluate the dynamic performance of the asphalt system in accordance with both the elastic and viscoelastic material characteristics and design thickness of the asphalt trackbed. More specifically, in order to reduce the uncertainty error of the Finite Element(FE) model, a three-dimensional full scale FE model was developed and then the infinite foundation model was considered. Finally, to compare the condition of viscoelastic materials, performance evaluation of the asphalt-concrete trackbed system was used to deal with the dynamic amplification factors; numerical results using isotropic-elastic materials in the FE analysis are presented.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.101-108
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2002
This paper presents an input and system identification technique for a free-field system using forced vibration data. Identification is carried out on geotechnical experiment site at Yong-jong Island where Inchon International Airport being constructed. The identified quantities are the input load as well as the shear moduli of the free-field soil regions. The dynamic response analysis on the free-field system is carried out using the finite element method incorporating the infinite element formulation fur the unbounded layered soil medium. The criterion function for the parameter estimation is constructed using the frequency response amplitude ratios of the dynamic responses measured at several points of the free-field, so that the information on the input loading may be excluded. The constrained steepest descent method is employed to obtain the revised parameters. The simulated dynamic responses using the identified parameters and input load show excellent agreements with the measured responses.
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