Identification of damping characteristics is of significant importance for dynamic response analysis and condition assessment of structural systems. Damping is associated with the behavior of the energy dissipation mechanism. Identification of damping ratios based on the sensitivity of dynamic responses and the model updating technique is investigated with numerical and experimental investigations. The effectiveness and performance of using the sensitivity-based model updating method and vibration monitoring data for damping ratios identification are investigated. Numerical studies on a three-dimensional truss bridge model are conducted to verify the effectiveness of the proposed approach. Measurement noise effect and the initial finite element modelling errors are considered. The results demonstrate that the damping ratio identification with the proposed approach is not sensitive to the noise effect but could be affected significantly by the modelling errors. Experimental studies on a steel planar frame structure are conducted. The robustness and performance of the proposed damping identification approach are investigated with real measured vibration data. The results demonstrate that the proposed approach has a decent and reliable performance to identify the damping ratios.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1998.04a
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pp.340-346
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1998
In order to improve the prediction of dynamic behavior in structures, several lower vibration modes from FFT analysis through experiments are used to update the mechanical properties followed by the updated frequencies from numerical analysis. Performance index consists of the sum of error norms between the chosen frequencies and corresponding frequencies from numerical analysis. As an updating process of the natural frequencies, the optimization algorithm based on conjugate gradient method is adopted. The gradient of performance index is calculated using the sensitivity of selected eigenvalues with respect to each design parameter. The mechanical properties of lamina, E$\_$l/, E$\_$2/, .nu.$\_$12/ and G$\_$12/, are design parameters for the updating process. The proposed method is applied to predict the dynamic behavior of composite laminated plates of [0]$\_$8T/ and [.+-.45]$\_$2S/ separately or interchangeably. Also, the mixed case for [0]$\_$8T/ and [.+-.45]$\_$2S/ is exarm'ned to check the possibility for the improved prediction generally. The good agreement is obtained between the measured frequencies and the numerical ones. Based on the results for all the cases studied, the proposed approach has a clear potential in characterizing the mechanical properties of composite lamina.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.9
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pp.884-891
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2009
This study investigates some of swarm intelligence algorithms to tackle a traditional damage detection problem having stiffness degradation or damage in mechanical structures. Particle swarm(PSO) and ant colony optimization(ACO) methods have been exploited for localizing and estimating the location and extent damages in a structure. Both PSO and ACO are population-based, stochastic algorithms that have been developed from the underlying concept of swarm intelligence and search heuristic. A finite element (FE) model updating is implemented to minimize the difference in a set of natural frequencies between measured and baseline vibration data. Stiffness loss of certain elements is considered to simulate structural damages in the FE model. It is numerically shown that PSO and ACO algorithms successfully completed the optimization process of model updating in locating unknown damages in a truss structure.
In this paper, a model updating technique in dynamics is used to identify elastic properties for pultruded GFRP-Glass Fiber Reinforced Plastic framed structural systems used in civil construction. Traditional identification techniques for composite materials may be expensive, while this alternative approach allows to identify several properties simultaneously, with very good precision. Furthermore, the procedure of a non-destructive type has a relatively simple implementation. Properties describing the mechanical behavior for beam and shell finite element modeling are identified. The used formulation is based on the minimization of eigensolution residuals. Important points concerning model updating procedures have been observed, such as the particular vibrational behavior of the test structure, the modeling strategies and the optimal placement of the sensors in the experimental procedure. Results obtained by experimental tests show the efficiency of the proposed procedure.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11b
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pp.1260-1265
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2001
It is important to model the mechanical structure precisely and reasonably in predicting the dynamic characteristics, controlling the vibration, and designing the structural dynamics. In the finite element modeling, the errors can be contained from the physical parameters, the approximation of the boundary conditions, and the element modeling, From the dynamic test. more precise dynamic characteristics can be obtained. Model updating using parameter modification is appropriate when the design parameter is used to analyze the input parameter like finite element method. Finite element analysis for free-free-free-free(FFFF) and clamped-free-free-free(CFFF) plate with uniform area and shape change are carried out as model updating examples, Mass and stiffness matrices are updated by comparing test and analytical modal frequencies. The result shows that the updated frequencies become closer to the test frequencies.
In this paper, the structural health monitoring (SHM) benchmark problem of the Canton tower is studied. Based on the field monitoring data from the 20 accelerometers deployed on the tower, some modal frequencies and mode shapes at measured degrees of freedom of the tower are identified. Then, these identified incomplete modal data are used to update the reduced finite element (FE) model of the tower by a novel algorithm. The proposed algorithm avoids the problem of subjective selection of updated parameters and directly updates model stiffness matrix without model reduction or modal expansion approach. Only the eigenvalues and eigenvectors of the normal finite element models corresponding to the measured modes are needed in the computation procedures. The updated model not only possesses the measured modal frequencies and mode shapes but also preserves the modal frequencies and modes shapes in their normal values for the unobserved modes. Updating results including the natural frequencies and mode shapes are compared with the experimental ones to evaluate the proposed algorithm. Also, dynamic responses estimated from the updated FE model using remote senor locations are compared with the measurement ones to validate the convergence of the updated model.
Vibration based damage detection is very popular in the civil engineering area. Especially, special structures like dams, long-span bridges and high-rise buildings, need continues monitoring in terms of mechanical properties of material, static and dynamic behavior. It has been stated in the International Commission on Large Dams that more than half of the large concrete dams were constructed more than 50 years ago and the old dams have subjected to repeating loads such as earthquake, overflow, blast, etc.,. So, some unexpected failures may occur and catastrophic damages may be taken place because of theloss of strength, stiffness and other physical properties of concrete. Therefore, these dams need repairs provided with global damage evaluation in order to preserve structural integrity. The paper aims to show the effectiveness of the model updating method for global damage detection on a laboratory arch dam model. Ambient vibration test is used in order to determine the experimental dynamic characteristics. The initial finite element model is updated according to the experimentally determined natural frequencies and mode shapes. The web thickness is selected as updating parameter in the damage evaluation. It is observed from the study that the damage case is revealed with high accuracy and a good match is attained between the estimated and the real damage cases by model updating method.
This study presents an online estimation of an excavator's rotational inertia by using recursive least square with forgetting. It is difficult to measure rotational inertia in real systems. Against this background, online estimation of rotational inertia is essential for improving safety and automation of construction equipment such as excavators because changes in inertial parameter impact dynamic characteristics. Regarding an excavator, rotational inertia for swing motion may change significantly according to working posture and digging conditions. Hence, rotational inertia estimation by predicting swing motion is critical for enhancing working safety and automation. Swing velocity and damping coefficient were used for rotational inertia estimation in this study. Updating rules are proposed for enhancing convergence performance by using the damping coefficient and forgetting factors. The proposed estimation algorithm uses three forgetting factors to estimate time-varying rotational inertia, damping coefficient, and torque with different variation rates. Rotational inertia in a typical working scenario was considered for reasonable performance evaluation. Three simulations were conducted by considering several digging conditions. Presented estimation results reveal the proposed estimation scheme is effective for estimating varying rotational inertia of the excavator.
Kim, Hongjin;Kim, Whajung;Kim, Boung-Yong;Hwang, Jae-Seung
Structural Engineering and Mechanics
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v.30
no.2
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pp.191-209
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2008
A structural monitoring system based on cheap and wireless monitoring system is investigated in this paper. Due to low-cost and low power consumption, micro-electro-mechanical system (MEMS) is suitable for wireless monitoring and the use of MEMS and wireless communication can reduce system cost and simplify the installation for structural health monitoring. For system identification using wireless MEMS, a finite element (FE) model updating method through correlation with the initial analytical model of the structure to the measured one is used. The system identification using wireless MEMS is evaluated experimentally using a three storey frame model. Identification results are compared to ones using data measured from traditional accelerometers and results indicate that the system identification using wireless MEMS estimates system parameters with reasonable accuracy. Another smart sensor considered in this paper for structural health monitoring is Lead Zirconate Titanate (PZT) which is a type of piezoelectric material. PZT patches have been applied for the health monitoring of structures owing to their simultaneous sensing/actuating capability. In this paper, the system identification for building structures by using PZT patches functioning as sensor only is presented. The FE model updating method is applied with the experimental data obtained using PZT patches, and the results are compared to ones obtained using wireless MEMS system. Results indicate that sensing by PZT patches yields reliable system identification results even though limited information is available.
The piezoelectric transverse $d_{15}$ shear sensing mechanism is firstly assessed experimentally for a cantilever smart sandwich plate made of a piezoceramic axially poled patched core and glass fiber reinforced polymer composite faces. Different electrical connections are tested for the assessment of the sensor performance under a varying amplitude harmonic (at 24 Hz) force. Also, the dynamic response of the smart sandwich composite structure is monitored using different acquisition devices. The obtained experimentally sensed voltages are compared to those resulting from the benchmark three-dimensional piezoelectric coupled finite element simulations using a commercial code where realistic features, like equipotential conditions on the patches' electrodes and mechanical updating of the clamp, are considered. Numerically, it is found that the stiffness of the clamp, which is much softer than the ideal one, has an enormous influence on the sensed voltage of its adjacent patch; therefore, sensing with the patch on the free side would be more advantageous for a cantilever configuration. Apart from confirming the latter result, the plate benchmark experimental assessment showed that the parallel connection of its two oppositely poled patches has a moderate performance but better than the clamp side patch acting as an individual sensor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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