International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.8
no.3
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pp.252-261
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2016
A spar-type floating substructure that is being widely used for offshore wind power generation is vulnerable to resonance in the heave direction because of its small water plane area. For this reason, the stable dynamic response of this floating structure should be ensured by accurately identifying the resonance characteristics. The purpose of this study is to analyze the characteristics of the combination resonance between the excitation frequency of a regular wave and natural frequencies of the floating substructure. First, the nonlinear equations of motion with two degrees of freedom are derived by assuming that the floating substructure is a rigid body, where the heaving motion and pitching motions are coupled. Moreover, to identify the characteristics of the combination resonance, the nonlinear term in the nonlinear equations is approximated up to the second order using the Taylor series expansion. Furthermore, the validity of the approximate model is confirmed through a comparison with the results of a numerical analysis which is made by applying the commercial software ANSYS AQWA to the full model. The result indicates that the combination resonance occurs at the frequencies of ${\omega}{\pm}{\omega}_5$ and $2{\omega}_{n5}$ between the excitation frequency (${\omega}$) of a regular wave and the natural frequency of the pitching motion (${\omega}_{n5}$) of the floating substructure.
Sasan Babaei;Panam Zarfam;Abdolreza Sarvghad Moghadam;Seyed Mehdi Zahrai
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.3
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pp.263-271
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2023
Base isolation is a widely used technique for the seismic control of structures as it reduces the structural seismic demand. However, displacement of the isolation layer is not economically feasible in congested urban areas. To resolve the issue, an innovative system is proposed here to isolate both horizontally at the base and vertically in the upper portion of the structure. A simplified linear three degree-of-freedom (3DOF) model of the system that considers the mass and stiffness ratios of the substructure has been introduced and analyzed in MATLAB by spectrum analysis. The 3DOF model results revealed that, when the period of the soft substructure reaches 2.5 times that of the stiff substructure, the isolation and the lower substructure responses decrease by 65% and 51%, respectively. Time-history analysis of a MDOF system at three frequency ratios under a wide range of ground motions indicated that, at the expense of accepting a certain large drift by the soft substructure in the upper portion of the structure, base isolation displacement can be decreased by 10%.
Substructure shake table testing is a class of real-time hybrid simulation (RTHS). It combines shake table tests of substructures with real-time computational simulation of the remaining part of the structure to assess dynamic response of the entire structure. Unlike in the conventional hybrid simulation, substructure shake table testing imposes acceleration compatibilities at substructure boundaries. However, acceleration tracking of shake tables is extremely challenging, and it is not possible to produce perfect acceleration tracking without time delay. If responses of the experimental substructure have high correlation with ground accelerations, response errors are inevitably induced by the erroneous input acceleration. Feeding the erroneous responses into the RTHS procedure will deteriorate the simulation results. This study presents a set of techniques to enable reliable substructure shake table testing. The developed techniques include compensation techniques for errors induced by imperfect input acceleration of shake tables, model-based actuator delay compensation with state observer, and force correction to eliminate process and measurement noises. These techniques are experimentally investigated through RTHS using a uni-axial shake table and three-story steel frame structure at the Johns Hopkins University. The simulation results showed that substructure shake table testing with the developed compensation techniques provides an accurate and reliable means to simulate the dynamic responses of the entire structure under earthquake excitations.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.5
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pp.519-525
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2010
The finite element (FE) method is generally used to model and simulate the physical behavior of large structures, such as passenger vehicles or aircraft. However, FE analysis involves a very large computation time and cost for developing the analysis model. Therefore, the vibration characteristics of large structural systems are often analyzed using the component mode synthesis (CMS) method, which is one of the substructure synthesis methods. In this study, the vibration characteristics of passenger vehicles are analyzed by using the substructure synthesis method. A passenger vehicle model, which includes a vehicle body, suspension systems, and a sub-frame, is presented. The physical components of the vehicle system are modeled as equivalent substructures using the Craig-Bampton method of CMS. The vibration characteristics, such as the natural frequencies and mode shapes and frequency response, of the vehicle system are determined. The effects of variations in some design parameters on the vibration characteristics of the full vehicle model are also investigated.
Kim, Dong-Hwan;Kim, Dong-Hyun;Kim, Myung-Hwan;Kim, Bong-Yung
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2011.10a
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pp.607-613
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2011
In this study, structural vibration analyses for a 5MW offshore wind wind-turbine model have been performed for different substructure models. The efficient equivalent modeling method based on computational multi-body dynamics are applied to the finite element models of the present offshore wind turbines. Monopile and tri-pod substructure types of the typical offshore wind-turbine are considered herein. Detailed finite element modeling concepts and boundary conditions are described and the comparison results for previous analyses are presented in order to show the verification of the present numerical approach. Campbell diagrams are also present to investigate the rotational resonance characteristics of the offshore wind-turbines with different substructures.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1996.10a
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pp.118-123
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1996
The purpose of this study is to develop acoustic substructure synthesis method that can be applied to acoustic modal analysis of complex acoustic systems. Acoustic modal analysis method to be introduced here is a method that analyze acoustic natural mode shape of the complex acoustic system by the principle of CMS(component mode synthesis method). This paper describes the acoustic modal analysis of the acoustic finite element model of simple expansion pipe by acoustic substructure synthesis method. The results of acoustic modal analysis analyzed by Acoustic substructure synthesis method and the results, by FEM(finite element method) shows good agreement.
Earthquake-induced pounding is one of the major reasons for structural failure in earthquake prone cities. An accurate description of the pounding phenomenon of two buildings requires the consideration of systems with a large number of degrees of freedom including adequate contact impact formulations. In this paper, firstly, a node to surface formulation for the realization of state-of-the-art pounding models for structural beam elements is presented. Secondly, a hierarchical substructure technique is introduced, which is adapted to the structural pounding problem. The numerical accuracy and efficiency of the method, especially for the contact forces, are verified on an academic example, applying four different impact elements. Error estimations are carried out and compared with the classical modal truncation method. It is demonstrated that the hierarchical substructure method is indeed able to significantly speed up the numeric integration procedure by preserving a required level of accuracy.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.7
s.262
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pp.784-791
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2007
Fretting, which is a special type of wear, is defined as small amplitude tangential oscillation along the contacting interface between two materials. In nuclear power plants, fretting wear caused by flow induced vibration (FIV) can make a serious problem in a U-tube bundle in steam generator. In this study, substructure method is developed and is verified the feasibility for the finite element model of fretting wear problems. This method is applied to the two-dimensional finite element analyses, which simulate the contact behavior of actual tube to support. For these examples, computing time can be reduced up to 1/5 in comparisons with conventional finite element analyses.
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.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.5
no.4
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pp.82-89
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1996
In this study, to choose the drilling m/c with analysis model for dynamic design of machine tool strctures, are used substucture syntheis method for reduction to degrees of freedom of dynamic model and analysis evaluation of substructures The dynamic factors of substurctures are examined by substructure synthesis method. And that dynamic design of structures for energy balancing are performed. The computer program for calculated of the dynamic and energy distribution analysis was developed. Result of numerical analysis by developed program obtained to conclusion as following. The design of machine tool structures by dynamic avoid the resonances, and are known to considered based on the energy balancing. These methods can be used effectively for the performance evaluation, design modification and improvement of dynamic performance evaluation, design modification and improvement of dynamic performance of machine tools.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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