The use of frequency-dependent dynamic stiffness matrix (or spectral element matrix) in structural dynamics may provide very accurate solutions, while it reduces the number of degrees-of-freedom to improve the computational efficiency and cost problems. Thus, this paper develops a spectral element model for the thin plates moving with constant speed under uniform in-plane tension and gravity. The concept of Kantorovich method and the principle of virtual displacement is used in the frequency-domain to formulate the dynamic stiffness matrix. The present spectral element model is evaluated by comparing its solutions with the exact analytical solutions. The effects of moving speed, in-plane tension and gravity on the natural frequencies of the plate are numerically investigated.
The use of frequency-dependent dynamic stiffness matrix (or spectral element matrix) in structural dynamics may provide very accurate solutions, while it reduces the number of degrees-of-freedom to improve the computational efficiency and cost problems. Thus, this paper develops a spectral element model for the thin plates moving with constant speed under uniform in-plane tension. The concept of Kantorovich method is used in the frequency-domain to formulate the dynamic stiffness matrix. The present spectral element model is evaluated by comparing its solutions with the exact analytical solutions. The effects of moving speed and in-plane tension on the flexural wave dispersion characteristics and natural frequencies of the plate are numerically investigated.
Substructures position is considered as design parameter to obtain optimal structural changes to raise its dynamic characteristics. In conventional SDM (structural dynamics modification) method, the layout of modifying substructures position is first fixed and at that condition the structural optimization is performed by using the substructures size and/or material property as design parameters. But in this paper as a design variable substructures global translational and rotational position is treated. For effective structural modification the eigenvalue sensitivity with respect to that design parameter is derived based on measured frequency response function. The optimal structural modification is calculated by combining eigenvalue sensitivities and eigenvalue reanalysis technique iteratively. Numerical examples are presented to the case of beam stiffener optimization to raise the natural frequency of plate.
This paper deals with a theoretical method to calculate natural frequencies of a fixed-free rectangular tank partially in contact with an outer water gap. Orthogonal polynomials satisfying the boundary conditions of the tank are used as admissible functions in the Rayleigh-Ritz method. A quarter model of the liquid-coupled system is constructed and it is simplified to a line supported flat plate in contact with the liquid. The liquid displacement potential functions satisfying the Laplace equation and water boundary conditions are derived, and the finite Fourier transform is accomplished in conjunction with the compatibility requirement along the contacting interfaces between the tank and water. An eigenvalue problem is derived so that the natural frequencies of the wet rectangular tank can be extracted. The predictions from the proposed analytical method show good agreement with the finite element analysis results.
Exercise of complete control on all aspects of any manufacturing / fabrication process is very difficult, leading to uncertainties in the material properties and geometric dimensions of structural components. This is especially true for laminated composites because of the large number of parameters associated with its fabrication. When the basic parameters like elastic modulus, density and Poisson's ratio are random, the derived response characteristics such as deflections, natural frequencies, buckling loads, stresses and strains are also random, being functions of the basic random system parameters. In this study the basic elastic properties of a composite lamina are assumed to be independent random variables. Perturbation formulation is used to model the random parameters assuming the dispersions small compared to the mean values. The system equations are analyzed to obtain the mean and the variance of the plate natural frequencies. Several application problems of free vibration analysis of composite plates, employing the proposed method are discussed. The analysis indicates that, at times it may be important to include the effect of randomness in material properties of composite laminates.
Kerboua, Y.;Lakis, A.A.;Thomas, M.;Marcouiller, L.
Structural Engineering and Mechanics
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제29권1호
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pp.91-111
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2008
This paper outlines the development of a computational model in order to analyze the dynamic behaviour of coupled fluid-structure systems such as a) liquid containers, b) a set of parallel or radial plates. In this work a hybrid fluid-solid element is developed, capable of simulating both membrane and bending effects of the plate. The structural mass and stiffness matrices are determined using exact integration of governing equations which are derived using a combination of classical plate theory and a finite element approach. The Bernoulli equation and velocity potential function are used to describe the liquid pressure applied on the solid-fluid element. An impermeability condition assures a permanent contact at the fluid-structure interface. Applications of this model are presented for both parallel and radial plates as well as fluid-filled rectangular reservoir. The effect of physical parameters on the dynamic behaviour of a coupled fluid-structure system is investigated. The results obtained using the presented approach for dynamic characteristics such as natural frequency are in agreement to those calculated using other theories and experiments.
Ahmad M. Baiomy;M. Kassab;B.M. El-Sehily;R.M. El-Kady
Advances in aircraft and spacecraft science
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제10권3호
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pp.223-243
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2023
There is a burgeoning demand for minimizing the mass of satellites because of its direct impact on reducing launch-to-orbit cost. This must be done without compromising the structure's efficiency. The present paper introduces a relatively low-cost and easily implementable approach for optimizing structural mass to a maximum natural frequency. The natural frequencies of the satellite are of utmost pertinence to the application requirements, as the sensitive electronic instrumentation and onboard computers should not be affected by the vibrations of the satellite structure. This methodology is applied to a realistic model of Al-Azhar University micro-satellite in partnership with the Egyptian Space Agency. The procedure used in structural design can be summarized in two steps. The first step is to select the most favorable primary structural configuration among several different candidate variants. The nominated variant is selected as the one scoring maximum relative dynamic stiffness. The second step is to use perforation patterns reduce the overall mass of structural elements in the selected variant without changing the weight. The results of the presented procedure demonstrate that the mass reduction percentage was found to be 39% when compared to the unperforated configuration that had the same plate thickness. The findings of this study challenge the commonly accepted notion that isogrid perforations are the most effective means of achieving the goal of reducing mass while maintaining stiffness. Rather, the study highlights the potential benefits of exploring a wider range of perforation unit cells during the design process. The study revealed that rectangular perforation patterns had the lowest efficiency in terms of modal stiffness, while triangular patterns resulted in the highest efficiency. These results suggest that there may be significant gains to be made by considering a broader range of perforation shapes and configurations in the design of lightweight structures.
광섬유 센서는 구조 건전성 감시 분야에 적용되는 유망한 센서 시스템이다. 특히 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서는 본 분야에 있어 가장 각광받는 센서들 중에 하나이다. 이러한 FBG 센서는 브래그 파장의 이 동량을 알아내는 방법에 따라 다양한 시스템 구성이 가능하다. 또한 센서 시스템의 동특성은 이러한 시스템에 의해 결정된다. 본 논문에서는 FBG 센서의 브래그 파장 스팩트럼 최대 경사부에 단일 파장 레이저의 중심 파장을 맞춰 놓을 경우, 센서의 경사도가 센서 감도로 작용할 수 있다는 측정 원리를 이용하였다. 이러한 원리는 전체 측정 범위의 한계는 있지만 높은 민감도를 보장한다. 본 측정 원리의 적용 예로서, FBG 센서를 삽입한 복합재 평판을 오토클래이브를 이용해 제작하고 앞서 설명한 측정 원리를 적용하였다. 첫째로 삽입된 FBG 센서를 이용해 충격 망치로 가격된 복합재 평판의 고유 진동수를 성공적으로 측정하였다. 둘째로 고출력 스피커를 이용해 앞서 측정된 고유진동수 중 하나의 특정 주파수로 복합재 평판을 강제 가진 시켰다. 이때 발생하는 구조 진동을 FBG 센서로 측정하였고 동시에 ESPI 측정 시스템을 이용해 진동 모드 형상 역시 성공적으로 측정하여 복합재 구조물의 동특성을 파악하였다. 따라서, 이러한 두 실험을 통해 FBG 센서 시스템과 ESPI 측정 시스템이 복합재 구조물의 동특성 측정에 매우 유용한 기술임을 증명하였다.
A numerical method is presented for computation of eigenvector derivatives used an iterative procedure with guaranteed convergence. An approach for treating the singularity in calculating the eigenvector derivatives is presented, in which a shift in each eigenvalue is introduced to avoid the singularity. If the shift is selected properly, the proposed method can give very satisfactory results after only one iteration. A criterion for choosing an adequate shift, dependent on computer hardware is suggested ; it is directly dependent on the eigenvalue magnitudes and the number of bits per numeral of the computer. Another merit of this method is that eigenvector derivatives with repeated eigenvalues can be easily obtained if the new eigenvectors are calculated. These new eigenvectors lie "adjacent" to the m (number of repeated eigenvalues) distinct eigenvectors, which appear when the design parameter varies. As an example to demonstrate the efficiency of the proposed method in the case of distinct eigenvalues, a cantilever plate is considered. The results are compared with those of Nelson's method which can find the exact eigenvector derivatives. For the case of repeated eigenvalues, a cantilever beam is considered. The results are compared with those of Dailey's method which also can find the exact eigenvector derivatives. The design parameter of the cantilever plate is its thickness, and that of the cantilever beam its height.
Multi-model vibration control of laminated composites plates for various fiver orientations has been carried out by making use of piezolectric materials(PZT) as sensors and actuators. Cantilever plate is used as a specimen to test multi-modal vibration supression under random exitation. Impulse technique is applied to determine the natural frequency, the damping ratio(.zeta.) and the modal damping(2.zeta..omega.) of the first bending and the trosion modes. Two independent controllers are implemented to control the two modes simultaneously and established digitally on the basis of the direct negative velocity feedback control with collocated sensor/actuator. Experimental results for various fiber orientations and feedback gains are compared with finite element analysis considering stiffnesses and dampings of piezoeletiric sensors, actuators and bonding layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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