Hanjong Kim;Jaehoon Lee;Changwan Han;Seonghun Park
Wind and Structures
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v.37
no.6
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pp.461-471
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2023
The main objective of this study was to establish design guidelines for three key design variables (spar thickness, spar diameter, and total draft) by examining their impact on the stress distribution and resonant frequency of a 2.5-MW spar-type floating offshore wind turbine substructure under extreme marine conditions, such as during Typhoon Bolaven. The current findings revealed that the substructure experienced maximum stress at wave frequencies of either 0.199 Hz or 0.294 Hz, consistent with previously reported experimental findings. These results indicated that the novel simulation method proposed in this study, which simultaneously combines hydrodynamic diffraction analysis, computational dynamics analysis, and structural analysis, was successfully validated. It also demonstrated that our proposed simulation method precisely quantified the stress distribution of the substructure. The novel findings, which reveal that the maximum stress of the substructure increases with an increase in total draft and a decrease in spar thickness and spar diameter, offer valuable insights for optimizing the design of spar-type floating offshore wind turbine substructures operating in various harsh marine environments.
The investigation on vehicle-bridge coupling system (VBCS) is crucial in bridge design, bridge condition evaluation, and vehicle overload control. A real-time hybrid testing (RTHT) method for VBCS (RTHT-VBCS) is proposed in this paper for accurately and economically disclosing the dynamic performance of VBCSs. In the proposed method, one of the carriages is chosen as the experimental substructure loaded by servo-hydraulic actuator loading system in the laboratory, and the remaining carriages as well as the bridge structure are chosen as the numerical substructure numerically simulated in one computer. The numerical substructure and the experimental substructure are synchronized at their coupling points in terms of force equilibrium and deformation compatibility. Compared to the traditional iteration experimental method and the numerical simulation method, the proposed RTHT-VBCS method could not only obtain the dynamic response of VBCS, but also economically analyze various working conditions. Firstly, the theory of RTHT-VBCS is proposed. Secondly, numerical models of VBCS for RTHT method are presented. Finally, the feasibility and accuracy of the RTHT-VBCS are preliminarily validated by real-time hybrid simulations (RTHSs). It is shown that, the proposed RTHT-VBCS is feasible and shows great advantages over the traditional methods, and the proposed models can effectively represent the VBCS for RTHT method in terms of the force equilibrium and deformation compatibility at the coupling point. It is shown that the results of the single-degree-of-freedom model and the train vehicle model are match well with the referenced results. The RTHS results preliminarily prove the effectiveness and accuracy of the proposed RTHT-VBCS.
To minimize the cost of maintenance, repair and over-design of track substructure, an accurate evaluation of strength and stiffness of the track substructure is necessary. In this study, a cone penetrometer with impact penetration rod (CPI) is developed for the evaluation of track substructure. For applicability test, the chamber and field tests were performed. As the experimental results of the CPI, dynamic cone penetration endex (DCPI), cone tip resistance ($q_c$), friction resistance ($f_s$) and friction ratio (Fr) were obtained. In the chamber test, the experimental results show reasonable values for the simulated track substructure. In the field test, the CPI clearly detects the interface between the ballast and the subgrade. Also, discontinuous layers are detected in the subgrade. It is expected that the developed CPI may be an effective tool for the evaluation of track substructure by evaluating the ballast layer by dynamic penetration and the subgrade by static penetration of the inner rod.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.246-249
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2006
Finite element vibration analysis of the trial 5x5 partial fuel assembly in the still water was performed using the substructure method. ANSYS software was used as a finite element modeling and modal analysis tool. The calculated natural frequencies of the partial fuel assembly were more consistent with the experimental results for the identical test model compared to the much larger solid model. This modeling technique can be utilized for the fuel assembly dynamic behavior analysis under normal operation, seismic and loss-of-coolant-accident analysis.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.408-413
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2003
The frequency response function(FRF) of each substructure is used for the transfer function synthesis method(TFS). The dynamic characteristics of the full system are obtained by synthesizing FRFs of each substructure. The validation of TFS depends on accuracy for FRF of each substructure. Impact hammer testing Is widely used to obtain the modal characteristics of structures However. the FRF obtained from impact hammer testing contains bias errors, such as finite record length error and leakage error of which characteristic depends on data acquisition time which we call record length. In this paper, a method to remove hose errors is proposed so as to enhance results of TFS. Numerical and experimental examples show that the FRF of full structure can be predicted nearly exactly by the method proposed in this paper.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.12
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pp.3782-3791
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1996
A great deal of effert has been invested in upgrading the performance and the efficiency of mechanical structures. Using experimental modal analysis(EMA) or finite element analysis(FEA) data of mechanical structures, this performance and efficiency can be effectively evaluated. In order to analyze complex structures such as automobiles and aircraft, for the sake of computing efficiency, the dynamic substructuring techniques that allow to predict the dynamic behavior of a structure based on that of the composing structures, are widely used. By llinking a modal model obtained from EMA and an analytical model obtained from FEA, the best conditioned structures can be desinged. In this paper, a new algorithm for structural dynamic modification-SRFSM (substructure response function sensitivity method) is proposed by linking frequency responce function synthesis and response function sensitivity. A mehtod to obtain response function sensitivity using direct derivative of mechanical impedance, is also used.
Substructure pseudo-dynamic hybrid simulation (SPDHS) combining the advantages of physical experiments and numerical simulation has become an important testing method for evaluating the dynamic responses of structures. Various parameter identification methods have been proposed for online model updating. However, if there is large model gap between the assumed numerical models and the real models, the parameter identification methods will cause large prediction errors. This study presents an ANN (artificial neural network) method based on forgetting factor. During the SPDHS of model updating, a dynamic sample window is formed in each loading step with forgetting factor to keep balance between the new samples and historical ones. The effectiveness and anti-noise ability of this method are evaluated by numerical analysis of a six-story frame structure with BRBs (Buckling Restrained Brace). One BRB is simulated in OpenFresco as the experimental substructure, while the rest is modeled in MATLAB. The results show that ANN is able to present more hysteresis behaviors that do not exist in the initial assumed numerical models. It is demonstrated that the proposed method has good adaptability and prediction accuracy of restoring force even under different loading histories.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.9
s.180
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pp.2201-2210
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2000
Vibration of a rotating disk-spindle system is analyzed by using Hamilton's principle, FEM and substructure synthesis. A rotating disk undergoes the rigid body motion and the elastic deformation. It s equation of motion is derived by Kirchhoff plate theory and von Karman nonlinear strain. A rotating shaft is described by Rayleigh beam theory considering the axial rigid body motion. The stationay shaft supporting the rotating disk-spindle-bearing system is modeled by Euler beam theory, and the stiffness of ball bearing is determined by A.B.Jones' theory. FEM is used to solve the derived governing equations, and substructure synthesis is introduced to assemble each structure of the rotating disk-spindle system. The developed theory is applied to the spindle system of a 35' computer hard disk drive with 3 disks to verify the simulation results. The simulation results agree very well with the experimental ones. The proposed theory may be effectively expanded to the complex structure of a disk-spindle system.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.3A
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pp.555-563
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2006
Recently, many bridges become not only functionally obsolete of bridge deck due to inadequate width but also structurally deficient of substructure due to erosion. In these cases, widening is almost always more economical than complete replacement, and therefore there is a need to make available the results of research and field experience pertaining to the widening of bridge substructure. But, an experimental study for the guarantee of unification between existing and new substructure with adhesive anchor is so insufficient that the development of adhesive anchor system for the unification should be settled promptly. The purpose of the present study is to explore pull out and shear characteristics of adhesive anchor system. For this purpose, several series of concrete specimens have been tested. Major test variables were the bonded length, anchor diameter and anchor slope. The pull out strength, bond stress and shear strength of adhesive faces were measured for the specimens. The present study indicates that the pull out strength increased with more bonded length and more anchor diameter, and that the bond stress decreased with more bonded length and more anchor diameter. The pull out strength and the bond stress increases with more anchor slope and it is considered that the slope of $5^{\circ}$ was more efficient. From the shear tests, it is supposed that anchor diameters more than D19 was proper to the adhesive anchor. Finally, it is expected that both experimental data in these tests and further study including mock-up tests will contribute to the establishment of the unification between existing and new substructure with adhesive anchor.
Real-time hybrid simulation (RTHS) which combines physical experiment with numerical simulation is an advanced method to investigate dynamic responses of structures subjected to earthquake excitation. The desired displacement computed from the numerical substructure is applied to the experimental substructure by a servo-hydraulic actuator in real time. However, the magnitude decay and phase delay resulted from the dynamics of the servo-hydraulic system affect the accuracy and stability of a RTHS. In this study, a robust stability analysis procedure for a general single-degree-of-freedom structure is proposed which considers the uncertainty of servo-hydraulic system dynamics. For discussion purposes, the experimental substructure is a portion of the entire structure in terms of a ratio of stiffness, mass, and damping, respectively. The dynamics of the servo-hydraulic system is represented by a multiplicative uncertainty model which is based on a nominal system and a weight function. The nominal system can be obtained by conducting system identification prior to the RTHS. A first-order weight function formulation is proposed which needs to cover the worst possible uncertainty envelope over the frequency range of interest. Then, the Nyquist plot of the perturbed system is adopted to determine the robust stability margin of the RTHS. In addition, three common delay compensation methods are applied to the RTHS loop to investigate the effect of delay compensation on the robust stability. Numerical simulation and experimental validation results indicate that the proposed procedure is able to obtain a robust stability margin in terms of mass, damping, and stiffness ratio which provides a simple and conservative approach to assess the stability of a RTHS before it is conducted.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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