nx nastran 8 basic dynamic analysis user's guide

7/28/2019 NX Nastran 8 Basic Dynamic Analysis User's Guide

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N X N a s t r a n 8

B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e


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P r o p r i e t a r y & R e s t r i c t e d R i g h t s N o t i c e

2 0 1 1 S i e m e n s P r o d u c t L i f e c y c l e M a n a g e m e n t S o f t w a r e I n c . A l l R i g h t s R e s e r v e d . T h i ss o f t w a r e a n d r e l a t e d d o c u m e n t a t i o n a r e p r o p r i e t a r y t o S i e m e n s P r o d u c t L i f e c y c l e M a n a g e m e n t S o f t w a r e I n c .

N A S T R A N i s a r e g i s t e r e d t r a d e m a r k o f t h e N a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n . N X N a s t r a n i s a n e n h a n c e d p r o p r i e t a r y v e r s i o n d e v e l o p e d a n d m a i n t a i n e d b y S i e m e n s P r o d u c t L i f e c y c l e M a n a g e m e n t S o f t w a r e I n c .

M S C i s a r e g i s t e r e d t r a d e m a r k o f M S C . S o f t w a r e C o r p o r a t i o n . M S C . N a s t r a n a n d M S C . P a t r a n a r e t r a d e m a r k s o f M S C . S o f t w a r e C o r p o r a t i o n .

A l l o t h e r t r a d e m a r k s a r e t h e p r o p e r t y o f t h e i r r e s p e c t i v e o w n e r s .

T A U C S C o p y r i g h t a n d L i c e n s e

T A U C S V e r s i o n 2 . 0 , N o v e m b e r 2 9 , 2 0 0 1 . C o p y r i g h t ( c ) 2 0 0 1 , 2 0 0 2 , 2 0 0 3 b y S i v a n T o l e d o , T e l - A v i v U n i v e r s i t y , s t o l e d o @ t a u . a c . i l . A l l R i g h t s R e s e r v e d .

T A U C S L i c e n s e :

Y o u r u s e o r d i s t r i b u t i o n o f T A U C S o r a n y d e r i v a t i v e c o d e i m p l i e s t h a t y o u a g r e e t o t h i s L i c e n s e .

T H I S M A T E R I A L I S P R O V I D E D A S I S , W I T H A B S O L U T E L Y N O W A R R A N T Y E X P R E S S E D O R I M P L I E D . A N Y U S E I S A T Y O U R O W N R I S K .

P e r m i s s i o n i s h e r e b y g r a n t e d t o u s e o r c o p y t h i s p r o g r a m , p r o v i d e d t h a t t h e C o p y r i g h t , t h i s L i c e n s e , a n d t h e A v a i l a b i l i t y o f t h e o r i g i n a l v e r s i o n i s r e t a i n e d o n a l l c o p i e s . U s e r d o c u m e n t a t i o n o f a n y c o d e t h a t u s e s t h i s c o d e o r a n y d e r i v a t i v e c o d e m u s t c i t e t h e C o p y r i g h t , t h i s L i c e n s e , t h e

A v a i l a b i l i t y n o t e , a n d " U s e d b y p e r m i s s i o n . " I f t h i s c o d e o r a n y d e r i v a t i v e c o d e i s a c c e s s i b l e f r o mw i t h i n M A T L A B , t h e n t y p i n g " h e l p t a u c s " m u s t c i t e t h e C o p y r i g h t , a n d " t y p e t a u c s " m u s t a l s o c i t e t h i s L i c e n s e a n d t h e A v a i l a b i l i t y n o t e . P e r m i s s i o n t o m o d i f y t h e c o d e a n d t o d i s t r i b u t e m o d i e d c o d e i s g r a n t e d , p r o v i d e d t h e C o p y r i g h t , t h i s L i c e n s e , a n d t h e A v a i l a b i l i t y n o t e a r e r e t a i n e d , a n d a n o t i c e t h a t t h e c o d e w a s m o d i e d i s i n c l u d e d . T h i s s o f t w a r e i s p r o v i d e d t o y o u f r e e o f c h a r g e .

A v a i l a b i l i t y ( T A U C S )

A s o f v e r s i o n 2 . 1 , w e d i s t r i b u t e t h e c o d e i n 4 f o r m a t s : z i p a n d t a r r e d - g z i p p e d ( t g z ) , w i t h o rw i t h o u t b i n a r i e s f o r e x t e r n a l l i b r a r i e s . T h e b u n d l e d e x t e r n a l l i b r a r i e s s h o u l d a l l o w y o u t o b u i l d

t h e t e s t p r o g r a m s o n L i n u x , W i n d o w s , a n d M a c O S X w i t h o u t i n s t a l l i n g a d d i t i o n a l s o f t w a r e . W e r e c o m m e n d t h a t y o u d o w n l o a d t h e f u l l d i s t r i b u t i o n s , a n d t h e n p e r h a p s r e p l a c e t h e b u n d l e d l i b r a r i e s b y h i g h e r p e r f o r m a n c e o n e s ( e . g . , w i t h a B L A S l i b r a r y t h a t i s s p e c i c a l l y o p t i m i z e d f o r y o u r m a c h i n e ) . I f y o u w a n t t o c o n s e r v e b a n d w i d t h a n d y o u w a n t t o i n s t a l l t h e r e q u i r e d l i b r a r i e s y o u r s e l f , d o w n l o a d t h e l e a n d i s t r i b u t i o n s . T h e z i p a n d t g z l e s a r e i d e n t i c a l , e x c e p t t h a t o n L i n u x , U n i x , a n d M a c O S , u n p a c k i n g t h e t g z l e e n s u r e s t h a t t h e c o n g u r e s c r i p t i s m a r k e d a s e x e c u t a b l e ( u n p a c k w i t h t a r z x v p f ) , o t h e r w i s e y o u w i l l h a v e t o c h a n g e i t s p e r m i s s i o n s m a n u a l l y .

2 B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e


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C o n t e n t s

P r o p r i e t a r y & R e s t r i c t e d R i g h t s N o t i c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

A b o u t t h i s Bo o k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

F u n d a m e n t a l s o f D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 1

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 2 E q u a t i o n s o f M o t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 2 D y n a m i c A n a l y s i s P r o c e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 1 2 D y n a m i c A n a l y s i s T y p e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 1 4

F i n i t e E l e m e n t I n p u t D a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 1

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 2 M a s s I n p u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 2 D a m p i n g I n p u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 8 U n i t s i n D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 1 2 D i r e c t M a t r i x I n p u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 1 3

R e a l E i g e n v a l u e A n a l y s i s ( S O L 1 0 3 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 1

O v e r v i e w o f R e a l E i g e n v a l u e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 2 R e a s o n s t o C o m p u t e N o r m a l M o d e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 4 O v e r v i e w o f N o r m a l M o d e s A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 4 E i g e n v a l u e E x t r a c t i o n M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 1 0 C o m p a r i s o n o f M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 1 2 U s e r I n t e r f a c e f o r R e a l E i g e n v a l u e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 1 3 I n p u t R e q u i r e m e n t s f o r N o r m a l M o d e s A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 1 7 E x a m p l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 1 9 R e s i d u a l V e c t o r s f o r M o da l R e s p o n s e S o l u t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 4 1

R i g i d B o d y M o d e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 - 1

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 - 1 S U P O R T E n t r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 - 2 E x a m p l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 - 9

F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s ( S O L s 1 0 8 a n d 1 1 1 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 1

O v e r v i e w o f F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 2 D i r e c t F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s ( S O L 1 0 8 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 3 M o d a l F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s ( S O L 1 1 1 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 5 M o d a l V e r s u s D i r e c t F r e q u e n c y R e s p o n s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 1 1 F r e q u e n c y - D e p e n d e n t E x c i t a t i o n D e n i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 1 2 S o l u t i o n F r e q u e n c i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 2 1 F r e q u e n c y R e s p o n s e C o n s i d e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 2 3 S o l u t i o n C o n t r o l f o r F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 2 4 E x a m p l e s o f F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 2 6

B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e 3


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C o n t e n t s

T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s ( S O L s 1 0 9 a n d 1 1 2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 1

O v e r v i e w o f T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 2 D i r e c t T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s ( S O L 1 0 9 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 2 M o d a l T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s ( S O L 1 1 2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 6

M o d a l V e r s u s D i r e c t T r a n s i e n t R e s p o n s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 1 4 T r a n s i e n t E x c i t a t i o n D e n i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 1 5 I n t e g r a t i o n T i m e S t e p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 2 4 T r a n s i e n t E x c i t a t i o n C o n s i d e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 2 4 S o l u t i o n C o n t r o l f o r T r a n s i e n t R e s po n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 2 5 E x a m p l e s o f T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 2 7

E n f o r c e d M o t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 1

O v e r v i e w o f E n f o r c e d M o t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 2 T h e S P C / S P C D M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 2 T h e S P C / S P C D M e t h o d s i n F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 3 T h e S P C / S P C D M e t h o d s i n T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 5

S P C / S P C D M e t h o d I n p u t s a n d P r o c e d u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 7 T h e L a r g e M a s s M e t h o d i n D i r e c t T r a n s i e n t a n d D i r e c t F r e q u en c y R e s p o n s e . . . . . . . . . . . 7 - 9 T h e L a r g e M a s s M e t h o d i n M o d a l T r a n s i e n t a n d M o d a l F r e q u e n c y R e s p o n s e . . . . . . . . . . 7 - 1 1 U s e r I n t e r f a c e f o r t h e L a r g e M a s s M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 1 2 L a r g e M a s s M e t h o d E x a m p l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 1 5

R e s t a r t s i n D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 - 1

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 - 2 A u t o m a t i c R e s t a r t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 - 2 S t r u c t u r e o f t h e I n p u t F i l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 - 3 U s e r I n t e r f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 - 3 D e t e r m i n i n g t h e V e r s i o n f o r a R e s t a r t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 - 7 E x a m p l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 - 7

P l o t t e d O u t p u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 - 1

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 - 2 S t r u c t u r e P l o t t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 - 2

X - Y P l o t t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 - 7

G u i d e l i n e s f o r E f f e c t i v e D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 1

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 2 O v e r a l l A n a l y s i s S t r a t e g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 2 U n i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 5 M a s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 5

D a m p i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 5 B o u n d a r y C o n d i t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 8 L o a d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 8 M e s h i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 8 E i g e n v a l u e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 9 F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 9 T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 1 1 R e s u l t s I n t e r p r e t a t i o n a n d V e r i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 1 2 C o m p u t e r R e s o u r c e R e q u i r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 - 1 4

A d v a n c e d D yn a m i c A n a l y s i s C a p a b i l i t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 1



5/372

C o n t e n t s

O v e r v i e w o f A d v a n c e d D y n a m i c A n a l y s i s C a p a b i l i t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 2 D y n a m i c R e d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 2 C o m p l e x E i g e n v a l u e A n a l y s i s ( S O L 1 0 7 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 3 R e s p o n s e S p e c t r u m A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 3 R a n d o m V i b r a t i o n A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 4

M o d e A c c e l e r a t i o n M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 5 F l u i d S t r u c t u r e I n t e r a c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 5 N o n l i n e a r T r a n s i e n t R e s po n s e A n a l y s i s ( S O L 1 2 9 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 6 S u p e r e l e m e n t A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 9 D e s i g n O p t i m i z a t i o n a n d S e n s i t i v i t y ( S O L 2 0 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 1 0 C o n t r o l S y s t e m A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 1 2

A e r o e l a s t i c A na l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 1 2 D M A P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 - 1 4

G l o s s a r y o f T e r m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A - 1

N o m e n c l a t u r e f o r D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 1

G e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 1 S t r u c t u r a l P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 2 M u l t i p l e D e g r e e - o f - F r e e d o m S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3

T h e S e t N o t a t i o n S y s t e m U s e d i n D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 1

D i s p l a c e m e n t V e c t o r S e t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 1

S o l u t i o n S e q u e n c e s f o r D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D - 1

S t r u c t u r e d S o l u t i o n S e q u e n c e s f o r B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D - 1

C a s e C o n t r o l C o m m a n d s f o r D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E - 1

I n p u t S p e c i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E - 1 A n a l y s i s S p e c i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E - 1O u t p u t S p e c i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E - 1

B u l k D a t a E n t r i e s f o r D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F - 1

M a s s P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F - 1 D a m p i n g P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F - 1 N o r m a l M o d e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F - 2 D y n a m i c L o a d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F - 2 F r e q u e n c y R e s p o n s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F - 2 T r a n s i e n t R e s p o n s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F - 2 M i s c e l l a n e o u s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F - 2

P a r a m e t e r s f o r D y n a m i c A n a l y si s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G - 1

F i l e M a n a g e m e n t S e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H - 1

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H - 1 D e n i t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H - 1 N X N a s t r a n D a t a b a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H - 2 F i l e M a n a g e m e n t C o m m a n d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H - 2

N u m e r i c a l A c c u r a c y C o n s i d e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 1



6/372

C o n t e n t s

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 1 L i n e a r E q u a t i o n S o l u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 1 E i g e n v a l u e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 2 M a t r i x C o n d i t i o n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 3 D e n i t e n e s s o f M a t r i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 3

N u m e r i c a l A c c u r a c y I s s u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 4 S o u r c e s o f M e c h a n i s m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 5 S o u r c e s o f N o n p o s i t i v e D e n i t e M a t r i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 6 D e t e c t i o n a n d A v o i d a n c e o f N u m e r i c a l P r o b l e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - 6

G r i d P o i n t W e i g h t G e n e r a t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J - 1

O v e r v i e w o f t h e G r i d P o i n t W e i g h t G e n e r a t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J - 1 C o m m o n l y U s e d F e a t u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J - 1 E x a m p l e w i t h D i r e c t i o n D e p e n d e n t M a s s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J - 3

D i a g n o s t i c M e s s a g e s f o r D y n a m i c A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K - 1

R e f e r e n c e s a n d B i b l i o g r a p h y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L - 1

O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L - 1 G e n e r a l R e f e r e n c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L - 1 B i b l i o g r a p h y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L - 1



7/372

A b o u t t h i s B o o k

T h i s g u i d e d e s c r i b e s a n d g i v e s e x a m p l e s o f t h e b a s i c t y p e s o f d y n a m i c a n a l y s i s c a p a b i l i t i e s a v a i l a b l e i n N X N a s t r a n , i n c l u d i n g

n o r m a l m o d e s a n a l y s i s

t r a n s i e n t r e s p o n s e a n a l y s i s

f r e q u e n c y r e s p o n s e a n a l y s i s

e n f o r c e d m o t i o n

T h i s g u i d e o n l y p r e s e n t s t h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n s o f t h e m a t h e m a t i c s u s e d i n d y n a m i c a n a l y s i s a s t h e y p e r t a i n t o t h e p r o p e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e u s e o f e a c h c a p a b i l i t y .

F o r m o r e i n f o r m a t i o n o n d y n a m i c r e d u c t i o n , r e s p o n s e s p e c t r u m a n a l y s i s , r a n d o m r e s p o n s e a n a l y s i s , c o m p l e x e i g e n v a l u e a n a l y s i s , n o n l i n e a r a n a l y s i s , c o n t r o l s y s t e m s , u i d - s t r u c t u r e c o u p l i n g a n d t h e L a g r a n g e M u l t i p l i e r M e t h o d , s e e t h e N X N a s t r a n A d v a n c e d D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e .



8/372


9/372

C h a p t e r

1 F u n d a m e n t a l s o f D y n a m i c A n a l y s i s

O v e r v i e w

E q u a t i o n s o f M o t i o n

D y n a m i c A n a l y s i s P r o c e s s

D y n a m i c A n a l y s i s T y p e s

B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e 1 - 1


10/372

C h a p t e r 1 F u n d a m e n t a l s o f D y n a m i c A n a l y s i s

1 . 1 O v e r v i e w

W i t h s t a t i c s t r u c t u r a l a n a l y s i s , i t i s p o s s i b l e t o d e s c r i b e h o w t o u s e N X N a s t r a n w i t h o u t i n c l u d i n g a d e t a i l e d d i s c u s s i o n o f t h e f u n d a m e n t a l e q u a t i o n s . H o w e v e r , b e c a u s e t h e r e a r e s e v e r a l t y p e s o f d y n a m i c a n a l y s e s , e a c h w i t h a d i f f e r e n t m a t h e m a t i c a l f o r m , y o u m u s t h a v e s o m e

k n o w l e d g e o f b o t h t h e p h y s i c s o f d y n a m i c s a n d t h e m a n n e r i n w h i c h t h e p h y s i c s i s r e p r e s e n t e d t o u s e N X N a s t r a n e f c i e n t l y f o r d y n a m i c a n a l y s i s .

T h i s c h a p t e r :

c o n t a i n s i m p o r t a n t i n f o r m a t i o n o n n o t a t i o n a n d t e r m i n o l o g y u s e d t h r o u g h o u t t h e r e s t o f t h e b o o k

i n t r o d u c e s t h e e q u a t i o n s o f m o t i o n f o r a s i n g l e d e g r e e - o f - f r e e d o m d y n a m i c s y s t e m ( s e e E q u a t i o n s o f M o t i o n )

i l l u s t r a t e s t h e d y n a m i c a n a l y s i s p r o c e s s ( s e e D y n a m i c A n a l y s i s P r o c e s s )

c h a r a c t e r i z e s t h e t y p e s o f d y n a m i c a n a l y s e s d e s c r i b e d i n t h i s g u i d e ( s e e D y n a m i c A n a l y s i s T y p e s .

N o t e : S e e R e f e r e n c e s a n d B i b l i o g r a p h y f o r a l i s t o f r e f e r e n c e s f o r s t r u c t u r a l d y n a m i c a n a l y s i s .

D y n a m i c A n a l y s i s V e r s u s S t a t i c A n a l y s i s

T w o b a s i c a s p e c t s o f d y n a m i c a n a l y s i s d i f f e r f r o m s t a t i c a n a l y s i s :

D y n a m i c l o a d s a r e a p p l i e d a s a f u n c t i o n o f t i m e .

T h i s t i m e - v a r y i n g l o a d a p p l i c a t i o n i n d u c e s t i m e - v a r y i n g r e s p o n s e ( d i s p l a c e m e n t s , v e l o c i t i e s , a c c e l e r a t i o n s , f o r c e s , a n d s t r e s s e s ) . T h e s e t i m e - v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c s m a k e d y n a m i c a n a l y s i s m o r e c o m p l i c a t e d a n d m o r e r e a l i s t i c t h a n s t a t i c a n a l y s i s .

1 . 2 E q u a t i o n s of M o t i o n

T h e b a s i c t y p e s o f m o t i o n i n a d y n a m i c s y s t e m a r e d i s p l a c e m e n t u a n d t h e r s t a n d s e c o n d d e r i v a t i v e s o f d i s p l a c e m e n t w i t h r e s p e c t t o t i m e . T h e s e d e r i v a t i v e s a r e v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n , r e s p e c t i v e l y , g i v e n b e l o w :

E q u a t i o n 1 - 1 .

1 - 2 B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e


11/372

F u n d a m e n t a l s o f D y n a m i c A n a l y s i s

V e l o c i t y a n d A c c e l e r a t i o n

V e l o c i t y i s t h e r a t e o f c h a n g e i n t h e d i s p l a c e m e n t w i t h r e s p e c t t o t i m e . V e l o c i t y c a n a l s o b ed e s c r i b e d a s t h e s l o p e o f t h e d i s p l a c e m e n t c u r v e . S i m i l a r l y , a c c e l e r a t i o n i s t h e r a t e o f c h a n g e o f t h e v e l o c i t y w i t h r e s p e c t t o t i m e , o r t h e s l o p e o f t h e v e l o c i t y c u r v e .

S i n g l e D e g r e e - o f - F r e e d o m S y s t e m

T h e m o s t s i m p l e r e p r e s e n t a t i o n o f a d y n a m i c s y s t e m i s a s i n g l e d e g r e e - o f - f r e e d o m ( S D O F ) s y s t e m ( s e e F i g u r e 1 - 1 ) . I n a n S D O F s y s t e m , t h e t i m e - v a r y i n g d i s p l a c e m e n t o f t h e s t r u c t u r e

i s d e n e d b y o n e c o m p o n e n t o f m o t i o n u ( t ) . V e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n a r e d e r i v e d f r o m t h e d i s p l a c e m e n t .

m = m a s s ( i n e r t i a )

b =d a m p i n g ( e n e r g y d i s s i p a t i o n )

k = s t i f f n e s s ( r e s t o r i n g f o r c e )

p = a p p l i e d f o r c e

u = d i s p l a c e m e n t o f m a s s

u = v e l o c i t y o f m a s s

= a c c e l e r a t i o n o f m a s s

F i g u r e 1 - 1 . S i n g l e D e g r e e - o f - F r e e d o m ( S D O F ) S y s t e m

D y n a m i c a n d S t a t i c D e g r e e s - o f - F r e e d o m

M a s s a n d d a m p i n g a r e a s s o c i a t e d w i t h t h e m o t i o n o f a d y n a m i c s y s t e m . D e g r e e s - o f - f r e e d o m w i t h m a s s o r d a m p i n g a r e o f t e n c a l l e d d y n a m i c d e g r e e s - o f - f r e e d o m ; d e g r e e s - o f - f r e e d o m w i t h s t i f f n e s s a r e c a l l e d s t a t i c d e g r e e s - o f - f r e e d o m . I t i s p o s s i b l e ( a n d o f t e n d e s i r a b l e ) i n m o d e l s o f c o m p l e x s y s t e m s t o h a v e f e w e r d y n a m i c d e g r e e s - o f - f r e e d o m t h a n s t a t i c d e g r e e s - o f - f r e e d o m .

T h e f o u r b a s i c c o m p o n e n t s o f a d y n a m i c s y s t e m a r e m a s s , e n e r g y d i s s i p a t i o n ( d a m p e r ) , r e s i s t a n c e ( s p r i n g ) , a n d a p p l i e d l o a d . A s t h e s t r u c t u r e m o v e s i n r e s p o n s e t o a n a p p l i e d l o a d , f o r c e s a r e i n d u c e d t h a t a r e a f u n c t i o n o f b o t h t h e a p p l i e d l o a d a n d t h e m o t i o n i n t h e i n d i v i d u a l c o m p o n e n t s . T h e e q u i l i b r i u m e q u a t i o n r e p r e s e n t i n g t h e d y n a m i c m o t i o n o f t h e s y s t e m i s k n o w n a s t h e e q u a t i o n o f m o t i o n .

E q u a t i o n o f M o t i o n

T h i s e q u a t i o n , w h i c h d e n e s t h e e q u i l i b r i u m c o n d i t i o n o f t h e s y s t e m a t e a c h p o i n t i n t i m e , i s r e p r e s e n t e d a s



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E q u a t i o n 1 - 2 .

T h e e q u a t i o n o f m o t i o n a c c o u n t s f o r t h e f o r c e s a c t i n g o n t h e s t r u c t u r e a t e a c h i n s t a n t i n t i m e . T y p i c a l l y , t h e s e f o r c e s a r e s e p a r a t e d i n t o i n t e r n a l f o r c e s a n d e x t e r n a l f o r c e s . I n t e r n a l f o r c e s a r e f o u n d o n t h e l e f t - h a n d s i d e o f t h e e q u a t i o n , a n d e x t e r n a l f o r c e s a r e s p e c i e d o n t h e r i g h t - h a n d s i d e . T h e r e s u l t i n g e q u a t i o n i s a s e c o n d - o r d e r l i n e a r d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n r e p r e s e n t i n g t h e m o t i o n o f t h e s y s t e m a s a f u n c t i o n o f d i s p l a c e m e n t a n d h i g h e r - o r d e r d e r i v a t i v e s o f t h e d i s p l a c e m e n t .

I n e r t i a F o r c e

A n a c c e l e r a t e d m a s s i n d u c e s a f o r c e t h a t i s p r o p o r t i o n a l t o t h e m a s s a n d t h e a c c e l e r a t i o n . T h i s

f o r c e i s c a l l e d t h e i n e r t i a f o r c e .

V i s c o u s D a m p i n g

T h e e n e r g y d i s s i p a t i o n m e c h a n i s m i n d u c e s a f o r c e t h a t i s a f u n c t i o n o f a d i s s i p a t i o n c o n s t a n t

a n d t h e v e l o c i t y . T h i s f o r c e i s k n o w n a s t h e v i s c o u s d a m p i n g f o r c e . T h e d a m p i n g f o r c e t r a n s f o r m s t h e k i n e t i c e n e r g y i n t o a n o t h e r f o r m o f e n e r g y , t y p i c a l l y h e a t , w h i c h t e n d s t o r e d u c e t h e v i b r a t i o n .

E l a s t i c F o r c e

T h e n a l i n d u c e d f o r c e i n t h e d y n a m i c s y s t e m i s d u e t o t h e e l a s t i c r e s i s t a n c e i n t h e s y s t e m a n d i s a f u n c t i o n o f t h e d i s p l a c e m e n t a n d s t i f f n e s s o f t h e s y s t e m . T h i s f o r c e i s c a l l e d t h e e l a s t i c f o r c e o r o c c a s i o n a l l y t h e s p r i n g f o r c e k u ( t ) .

A p p l i e d L o a d

T h e a p p l i e d l o a d p ( t ) o n t h e r i g h t - h a n d s i d e o f E q u a t i o n 1 - 2 i s d e n e d a s a f u n c t i o n o f t i m e . T h i s l o a d i s i n d e p e n d e n t o f t h e s t r u c t u r e t o w h i c h i t i s a p p l i e d ( e . g . , a n e a r t h q u a k e i s t h e s a m e e a r t h q u a k e w h e t h e r i t i s a p p l i e d t o a h o u s e , o f c e b u i l d i n g , o r b r i d g e ) , y e t i t s e f f e c t o n d i f f e r e n t s t r u c t u r e s c a n b e v e r y d i f f e r e n t .

S o l u t i o n o f t h e E q u a t i o n o f M o t i o n

T h e s o l u t i o n o f t h e e q u a t i o n o f m o t i o n f o r q u a n t i t i e s s u c h a s d i s p l a c e m e n t s , v e l o c i t i e s , a c c e l e r a t i o n s , a n d / o r s t r e s s e s a l l a s a f u n c t i o n o f t i m e i s t h e o b j e c t i v e o f a d y n a m i c a n a l y s i s . T h e p r i m a r y t a s k f o r t h e d y n a m i c a n a l y s t i s t o d e t e r m i n e t h e t y p e o f a n a l y s i s t o b e p e r f o r m e d . T h e n a t u r e o f t h e d y n a m i c a n a l y s i s i n m a n y c a s e s g o v e r n s t h e c h o i c e o f t h e a p p r o p r i a t e m a t h e m a t i c a l a p p r o a c h . T h e e x t e n t o f t h e i n f o r m a t i o n r e q u i r e d f r o m a d y n a m i c a n a l y s i s a l s o d i c t a t e s t h e n e c e s s a r y s o l u t i o n a p p r o a c h a n d s t e p s .

D y n a m i c a n a l y s i s c a n b e d i v i d e d i n t o t w o b a s i c c l a s s i c a t i o n s : f r e e v i b r a t i o n s a n d f o r c e d v i b r a t i o n s . F r e e v i b r a t i o n a n a l y s i s i s u s e d t o d e t e r m i n e t h e b a s i c d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h es y s t e m w i t h t h e r i g h t - h a n d s i d e o f E q u a t i o n 1 - 2 s e t t o z e r o ( i . e . , n o a p p l i e d l o a d ) . I f d a m p i n g i s n e g l e c t e d , t h e s o l u t i o n i s k n o w n a s u n d a m p e d f r e e v i b r a t i o n a n a l y s i s .



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F r e e V i b r a t i o n A n a l y s i s

I n u n d a m p e d f r e e v i b r a t i o n a n a l y s i s , t h e S D O F e q u a t i o n o f m o t i o n r e d u c e s t o

E q u a t i o n 1 - 3 .

E q u a t i o n 1 - 3 h a s a s o l u t i o n o f t h e f o r m

E q u a t i o n 1 - 4 .

T h e q u a n t i t y u ( t ) i s t h e s o l u t i o n f o r t h e d i s p l a c e m e n t a s a f u n c t i o n o f t i m e t. A s s h o w n i n

E q u a t i o n 1 - 4 , t h e r e s p o n s e i s c y c l i c i n n a t u r e .

C i r c u l a r N a t u r a l F r e q u e n c y

O n e p r o p e r t y o f t h e s y s t e m i s t e r m e d t h e c i r c u l a r n a t u r a l f r e q u e n c y o f t h e s t r u c t u r e wn . T h e s u b s c r i p t n i n d i c a t e s t h e n a t u r a l f o r t h e S D O F s y s t e m . I n s y s t e m s h a v i n g m o r e t h a n o n e m a s s d e g r e e o f f r e e d o m a n d m o r e t h a n o n e n a t u r a l f r e q u e n c y , t h e s u b s c r i p t m a y i n d i c a t e a f r e q u e n c y n u m b e r . F o r a n S D O F s y s t e m , t h e c i r c u l a r n a t u r a l f r e q u e n c y i s g i v e n b y

E q u a t i o n 1 - 5 .

T h e c i r c u l a r n a t u r a l f r e q u e n c y i s s p e c i e d i n u n i t s o f r a d i a n s p e r u n i t t i m e .

N a t u r a l F r e q u e n c y

T h e n a t u r a l f r e q u e n c y fn i s d e n e d b y

E q u a t i o n 1 - 6 .

T h e n a t u r a l f r e q u e n c y i s o f t e n s p e c i e d i n t e r m s o f c y c l e s p e r u n i t t i m e , c o m m o n l y c y c l e s p e r s e c o n d ( c p s ) , w h i c h i s m o r e c o m m o n l y k n o w n a s H e r t z ( H z ) . T h i s c h a r a c t e r i s t i c i n d i c a t e s t h e n u m b e r o f s i n e o r c o s i n e r e s p o n s e w a v e s t h a t o c c u r i n a g i v e n t i m e p e r i o d ( t y p i c a l l y o n e s e c o n d ) .

T h e r e c i p r o c a l o f t h e n a t u r a l f r e q u e n c y i s t e r m e d t h e p e r i o d o f r e s p o n s e Tn g i v e n b y



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E q u a t i o n 1 - 7 .

T h e p e r i o d o f t h e r e s p o n s e d e n e s t h e l e n g t h o f t i m e n e e d e d t o c o m p l e t e o n e f u l l c y c l e o f r e s p o n s e .

I n t h e s o l u t i o n o f E q u a t i o n 1 - 4 , A a n d B a r e t h e i n t e g r a t i o n c o n s t a n t s . T h e s e c o n s t a n t s a r e d e t e r m i n e d b y c o n s i d e r i n g t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s i n t h e s y s t e m . S i n c e t h e i n i t i a l d i s p l a c e m e n t

o f t h e s y s t e m u ( t = 0 ) a n d t h e i n i t i a l v e l o c i t y o f t h e s y s t e m a r e k n o w n , A a n d B a r ee v a l u a t e d b y s u b s t i t u t i n g t h e i r v a l u e s i n t o t h e s o l u t i o n o f t h e e q u a t i o n f o r d i s p l a c e m e n t a n d i t s r s t d e r i v a t i v e ( v e l o c i t y ) , r e s u l t i n g i n

E q u a t i o n 1 - 8 .

T h e s e i n i t i a l v a l u e c o n s t a n t s a r e s u b s t i t u t e d i n t o t h e s o l u t i o n , r e s u l t i n g i n

E q u a t i o n 1 - 9 .

E q u a t i o n 1 - 9 i s t h e s o l u t i o n f o r t h e f r e e v i b r a t i o n o f a n u n d a m p e d S D O F s y s t e m a s a f u n c t i o n o f i t s i n i t i a l d i s p l a c e m e n t a n d v e l o c i t y . G r a p h i c a l l y , t h e r e s p o n s e o f a n u n d a m p e d S D O F s y s t e m i s a s i n u s o i d a l w a v e w h o s e p o s i t i o n i n t i m e i s d e t e r m i n e d b y i t s i n i t i a l d i s p l a c e m e n t a n d v e l o c i t y a s s h o w n i n F i g u r e 1 - 2 .

F i g u r e 1 - 2 . S D O F S y s t e m U n d a m p e d F r e e V i b r a t i o n s

I f d a m p i n g i s i n c l u d e d , t h e d a m p e d f r e e v i b r a t i o n p r o b l e m i s s o l v e d . I f v i s c o u s d a m p i n g i s a s s u m e d , t h e e q u a t i o n o f m o t i o n b e c o m e s



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E q u a t i o n 1 - 1 0 .

D a m p i n g T y p e s

T h e s o l u t i o n f o r m i n t h i s c a s e i s m o r e i n v o l v e d b e c a u s e t h e a m o u n t o f d a m p i n g d e t e r m i n e s t h e f o r m o f t h e s o l u t i o n . T h e t h r e e p o s s i b l e c a s e s f o r p o s i t i v e v a l u e s o f b a r e

C r i t i c a l l y d a m p e d

O v e r d a m p e d

U n d e r d a m p e d

C r i t i c a l d a m p i n g o c c u r s w h e n t h e v a l u e o f d a m p i n g i s e q u a l t o a t e r m c a l l e d c r i t i c a l d a m p i n g bc r

.T h e c r i t i c a l d a m p i n g i s d e n e d a s

E q u a t i o n 1 - 1 1 .

F o r t h e c r i t i c a l l y d a m p e d c a s e , t h e s o l u t i o n b e c o m e s

E q u a t i o n 1 - 1 2 .

U n d e r t h i s c o n d i t i o n , t h e s y s t e m r e t u r n s t o r e s t f o l l o w i n g a n e x p o n e n t i a l d e c a y c u r v e w i t h n o o s c i l l a t i o n .

A s y s t e m i s o v e r d a m p e d w h e n b > bc r a n d n o o s c i l l a t o r y m o t i o n o c c u r s a s t h e s t r u c t u r e r e t u r n s t o i t s u n d i s p l a c e d p o s i t i o n .

U n d e r d a m p e d S y s t e m

T h e m o s t c o m m o n d a m p i n g c a s e i s t h e u n d e r d a m p e d c a s e w h e r e b < bc r . I n t h i s c a s e , t h e

s o l u t i o n h a s t h e f o r m

E q u a t i o n 1 - 1 3 .

A g a i n , A a n d B a r e t h e c o n s t a n t s o f i n t e g r a t i o n b a s e d o n t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s o f t h e s y s t e m . T h e n e w t e r m wd r e p r e s e n t s t h e d a m p e d c i r c u l a r n a t u r a l f r e q u e n c y o f t h e s y s t e m . T h i s t e r m i s r e l a t e d t o t h e u n d a m p e d c i r c u l a r n a t u r a l f r e q u e n c y b y t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n :



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E q u a t i o n 1 - 1 4 .

T h e t e r m z i s c a l l e d t h e d a m p i n g r a t i o a n d i s d e n e d b y

E q u a t i o n 1 - 1 5 .

T h e d a m p i n g r a t i o i s c o m m o n l y u s e d t o s p e c i f y t h e a m o u n t o f d a m p i n g a s a p e r c e n t a g e o f t h e c r i t i c a l d a m p i n g .

I n t h e u n d e r d a m p e d c a s e , t h e a m p l i t u d e o f t h e v i b r a t i o n r e d u c e s f r o m o n e c y c l e t o t h e n e x t

f o l l o w i n g a n e x p o n e n t i a l l y d e c a y i n g e n v e l o p e . T h i s b e h a v i o r i s s h o w n i n F i g u r e 1 - 3 . T h e a m p l i t u d e c h a n g e f r o m o n e c y c l e t o t h e n e x t i s a d i r e c t f u n c t i o n o f t h e d a m p i n g . V i b r a t i o n i s m o r e q u i c k l y d i s s i p a t e d i n s y s t e m s w i t h m o r e d a m p i n g .

F i g u r e 1 - 3 . D a m p e d O s c i l l a t i o n , F r e e V i b r a t i o n

T h e d a m p i n g d i s c u s s i o n m a y i n d i c a t e t h a t a l l s t r u c t u r e s w i t h d a m p i n g r e q u i r e d a m p e d f r e e v i b r a t i o n a n a l y s i s . I n f a c t , m o s t s t r u c t u r e s h a v e c r i t i c a l d a m p i n g v a l u e s i n t h e 0 t o 1 0 % r a n g e ,w i t h v a l u e s o f 1 t o 5 % a s t h e t y p i c a l r a n g e . I f y o u a s s u m e 1 0 % c r i t i c a l d a m p i n g , E q u a t i o n 1 - 4 i n d i c a t e s t h a t t h e d a m p e d a n d u n d a m p e d n a t u r a l f r e q u e n c i e s a r e n e a r l y i d e n t i c a l . T h i s r e s u l t i s s i g n i c a n t b e c a u s e i t a v o i d s t h e c o m p u t a t i o n o f d a m p e d n a t u r a l f r e q u e n c i e s , w h i c h c a n i n v o l v e a c o n s i d e r a b l e c o m p u t a t i o n a l e f f o r t f o r m o s t p r a c t i c a l p r o b l e m s . T h e r e f o r e , s o l u t i o n s f o r u n d a m p e d n a t u r a l f r e q u e n c i e s a r e m o s t c o m m o n l y u s e d t o d e t e r m i n e t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f

t h e s y s t e m ( s e e R e a l E i g e n v a l u e A n a l y s i s ) . H o w e v e r , t h i s d o e s n o t i m p l y t h a t d a m p i n g i s n e g l e c t e d i n d y n a m i c r e s p o n s e a n a l y s i s . D a m p i n g c a n b e i n c l u d e d i n o t h e r p h a s e s o f t h e a n a l y s i s a s p r e s e n t e d l a t e r f o r f r e q u e n c y a n d t r a n s i e n t r e s p o n s e ( s e e F r e q u e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s a n d T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s ) .

F o r c e d V i b r a t i o n A n a l y s i s

F o r c e d v i b r a t i o n a n a l y s i s c o n s i d e r s t h e e f f e c t o f a n a p p l i e d l o a d o n t h e r e s p o n s e o f t h e s y s t e m . F o r c e d v i b r a t i o n s a n a l y s e s c a n b e d a m p e d o r u n d a m p e d . S i n c e m o s t s t r u c t u r e s e x h i b i t d a m p i n g , d a m p e d f o r c e d v i b r a t i o n p r o b l e m s a r e t h e m o s t c o m m o n a n a l y s i s t y p e s .



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T h e t y p e o f d y n a m i c l o a d i n g d e t e r m i n e s t h e m a t h e m a t i c a l s o l u t i o n a p p r o a c h . F r o m a n u m e r i c a l v i e w p o i n t , t h e s i m p l e s t l o a d i n g i s s i m p l e h a r m o n i c ( s i n u s o i d a l ) l o a d i n g . I n t h e u n d a m p e d f o r m ,t h e e q u a t i o n o f m o t i o n b e c o m e s

E q u a t i o n 1 - 1 6 .

I n t h i s e q u a t i o n t h e c i r c u l a r f r e q u e n c y o f t h e a p p l i e d l o a d i n g i s d e n o t e d b y w. T h i s l o a d i n g f r e q u e n c y i s e n t i r e l y i n d e p e n d e n t o f t h e s t r u c t u r a l n a t u r a l f r e q u e n c y wn , a l t h o u g h s i m i l a r n o t a t i o n i s u s e d .

T h i s e q u a t i o n o f m o t i o n i s s o l v e d t o o b t a i n

E q u a t i o n 1 - 1 7 .

w h e r e :

A =

B =

A g a i n , A a n d B a r e t h e c o n s t a n t s o f i n t e g r a t i o n b a s e d o n t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s . T h e t h i r d t e r m i n E q u a t i o n 1 - 1 7 i s t h e s t e a d y - s t a t e s o l u t i o n . T h i s p o r t i o n o f t h e s o l u t i o n i s a f u n c t i o n o f t h e a p p l i e d l o a d i n g a n d t h e r a t i o o f t h e f r e q u e n c y o f t h e a p p l i e d l o a d i n g t o t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o f t h e s t r u c t u r e .

T h e n u m e r a t o r a n d d e n o m i n a t o r o f t h e t h i r d t e r m d e m o n s t r a t e t h e i m p o r t a n c e o f t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s t o t h e r e s p o n s e . T h e n u m e r a t o r p / k i s t h e s t a t i c d i s p l a c e m e n t o f t h e s y s t e m . I n o t h e r w o r d s , i f t h e a m p l i t u d e o f t h e s i n u s o i d a l l o a d i n g i s a p p l i e d a s a s t a t i c l o a d , t h e r e s u l t i n g s t a t i c d i s p l a c e m e n t u i s p / k . I n a d d i t i o n , t o o b t a i n t h e s t e a d y s t a t e s o l u t i o n , t h e s t a t i c d i s p l a c e m e n t i s s c a l e d b y t h e d e n o m i n a t o r .

T h e d e n o m i n a t o r o f t h e s t e a d y - s t a t e s o l u t i o n c o n t a i n s t h e r a t i o b e t w e e n t h e a p p l i e d l o a d i n g f r e q u e n c y a n d t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o f t h e s t r u c t u r e .

D y n a m i c A m p l i c a t i o n F a c t o r f o r N o D a m p i n g

T h e t e r m



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i s c a l l e d t h e d y n a m i c a m p l i c a t i o n ( l o a d ) f a c t o r . T h i s t e r m s c a l e s t h e s t a t i c r e s p o n s e t o c r e a t e a n a m p l i t u d e f o r t h e s t e a d y s t a t e c o m p o n e n t o f r e s p o n s e . T h e r e s p o n s e o c c u r s a t t h e s a m e f r e q u e n c y a s t h e l o a d i n g a n d i n p h a s e w i t h t h e l o a d ( i . e . , t h e p e a k d i s p l a c e m e n t o c c u r s a t t h e t i m e o f p e a k l o a d i n g ) . A s t h e a p p l i e d l o a d i n g f r e q u e n c y b e c o m e s a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o t h e s t r u c t u r a l n a t u r a l f r e q u e n c y , t h e r a t i o w/wn a p p r o a c h e s u n i t y a n d t h e d e n o m i n a t o r g o e s t o z e r o . N u m e r i c a l l y , t h i s c o n d i t i o n r e s u l t s i n a n i n n i t e ( o r u n d e n e d ) d y n a m i c a m p l i c a t i o n f a c t o r . P h y s i c a l l y , a s t h i s c o n d i t i o n i s r e a c h e d , t h e d y n a m i c r e s p o n s e i s s t r o n g l y a m p l i e d r e l a t i v e t o t h e s t a t i c r e s p o n s e . T h i s c o n d i t i o n i s k n o w n a s r e s o n a n c e . T h e r e s o n a n t b u i l d u p o f r e s p o n s e i s s h o w n i n F i g u r e 1 - 4 .

F i g u r e 1 - 4 . H a r m o n i c F o r c e d R e s p o n s e w i t h N o D a m p i n g

I t i s i m p o r t a n t t o r e m e m b e r t h a t r e s o n a n t r e s p o n s e i s a f u n c t i o n o f t h e n a t u r a l f r e q u e n c y a n d t h e l o a d i n g f r e q u e n c y . R e s o n a n t r e s p o n s e c a n d a m a g e a n d e v e n d e s t r o y s t r u c t u r e s . T h e d y n a m i c a n a l y s t i s t y p i c a l l y a s s i g n e d t h e r e s p o n s i b i l i t y t o e n s u r e t h a t a r e s o n a n c e c o n d i t i o n i s c o n t r o l l e d o r d o e s n o t o c c u r .

S o l v i n g t h e s a m e b a s i c h a r m o n i c a l l y l o a d e d s y s t e m w i t h d a m p i n g m a k e s t h e n u m e r i c a l s o l u t i o n m o r e c o m p l i c a t e d b u t l i m i t s r e s o n a n t b e h a v i o r . W i t h d a m p i n g , t h e e q u a t i o n o f m o t i o n b e c o m e s

E q u a t i o n 1 - 1 8 .

1 - 1 0 B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e


19/372


I n t h i s c a s e , t h e e f f e c t o f t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s d e c a y s r a p i d l y a n d m a y b e i g n o r e d i n t h e s o l u t i o n . T h e s o l u t i o n f o r t h e s t e a d y - s t a t e r e s p o n s e i s

E q u a t i o n 1 - 1 9 .

T h e n u m e r a t o r o f t h e a b o v e s o l u t i o n c o n t a i n s a t e r m t h a t r e p r e s e n t s t h e p h a s i n g o f t h e d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e w i t h r e s p e c t t o t h e a p p l i e d l o a d i n g . I n t h e p r e s e n c e o f d a m p i n g , t h e p e a k l o a d i n g a n d p e a k r e s p o n s e d o n o t o c c u r a t t h e s a m e t i m e . I n s t e a d , t h e l o a d i n g a n d r e s p o n s e a r e s e p a r a t e d b y a n i n t e r v a l o f t i m e m e a s u r e d i n t e r m s o f a p h a s e a n g l e q a s s h o w n b e l o w :

E q u a t i o n 1 - 2 0 .

T h e p h a s e a n g l e q i s c a l l e d t h e p h a s e l e a d , w h i c h d e s c r i b e s t h e a m o u n t t h a t t h e r e s p o n s e l e a d s t h e a p p l i e d f o r c e .

N o t e

S o m e t e x t s d e n e q a s t h e p h a s e l a g , o r t h e a m o u n t t h a t t h e r e s p o n s e l a g s t h e a p p l i e d f o r c e . T o c o n v e r t f r o m p h a s e l a g t o p h a s e l e a d , c h a n g e t h e s i g n o f q i n E q u a t i o n 1 - 1 9

a n d E q u a t i o n 1 - 2 0 .

D y n a m i c A m p l i c a t i o n F a c t o r w i t h D a m p i n g

T h e d y n a m i c a m p l i c a t i o n f a c t o r f o r t h e d a m p e d c a s e i s

E q u a t i o n 1 - 2 1 .

T h e i n t e r r e l a t i o n s h i p a m o n g t h e n a t u r a l f r e q u e n c y , t h e a p p l i e d l o a d f r e q u e n c y , a n d t h e p h a s e a n g l e c a n b e u s e d t o i d e n t i f y i m p o r t a n t d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s . I f w/wn i s m u c h l e s s t h a n 1 , t h e d y n a m i c a m p l i c a t i o n f a c t o r a p p r o a c h e s 1 a n d a s t a t i c s o l u t i o n i s r e p r e s e n t e d w i t h t h e d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e i n p h a s e w i t h t h e l o a d i n g . I f w/wn i s m u c h g r e a t e r t h a n 1 , t h e d y n a m i c a m p l i c a t i o n f a c t o r a p p r o a c h e s z e r o , y i e l d i n g v e r y l i t t l e d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e . I n t h i s c a s e , t h e s t r u c t u r e d o e s n o t r e s p o n d t o t h e l o a d i n g b e c a u s e t h e l o a d i n g i s c h a n g i n g t o o f a s t f o r t h e s t r u c t u r e t o r e s p o n d . I n a d d i t i o n , a n y m e a s u r a b l e d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e w i l l b e 1 8 0 d e g r e e s o u t o f p h a s e w i t h t h e l o a d i n g ( i . e . , t h e d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e w i l l h a v e t h e o p p o s i t e s i g n f r o m t h e f o r c e ) . F i n a l l y i f w/wn = 1 , r e s o n a n c e o c c u r s . I n t h i s c a s e , t h e m a g n i c a t i o n f a c t o r i s 1 / ( 2 z) , a n d

B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e 1 - 1 1


20/372


t h e p h a s e a n g l e i s 2 7 0 d e g r e e s . T h e d y n a m i c a m p l i c a t i o n f a c t o r a n d p h a s e l e a d a r e s h o w n i n F i g u r e 1 - 5 a n d a r e p l o t t e d a s f u n c t i o n s o f f o r c i n g f r e q u e n c y .

F i g u r e 1 - 5 . H a r m o n i c F o r c e d R e s p o n s e w i t h D a m p i n g

I n c o n t r a s t t o h a r m o n i c l o a d i n g s , t h e m o r e g e n e r a l f o r m s o f l o a d i n g ( i m p u l s e s a n d g e n e r a l t r a n s i e n t l o a d i n g ) r e q u i r e a n u m e r i c a l a p p r o a c h t o s o l v i n g t h e e q u a t i o n s o f m o t i o n . T h i s t e c h n i q u e , k n o w n a s n u m e r i c a l i n t e g r a t i o n , i s a p p l i e d t o d y n a m i c s o l u t i o n s e i t h e r w i t h o r w i t h o u t d a m p i n g . N u m e r i c a l i n t e g r a t i o n i s d e s c r i b e d i n T r a n s i e n t R e s p o n s e A n a l y s i s .

1 . 3 D y n a m i c A n a l y s i s P r o c e s s

B e f o r e c o n d u c t i n g a d y n a m i c a n a l y s i s , y o u s h o u l d r s t d e n e t h e g o a l o f t h e a n a l y s i s p r i o r t o t h e f o r m u l a t i o n o f t h e n i t e e l e m e n t m o d e l . C o n s i d e r t h e d y n a m i c a n a l y s i s p r o c e s s s h o w n i n F i g u r e 1 - 6 . Y o u m u s t e v a l u a t e t h e n i t e e l e m e n t m o d e l i n t e r m s o f t h e t y p e o f d y n a m i c l o a d i n g t o b e a p p l i e d t o t h e s t r u c t u r e . T h i s d y n a m i c l o a d i s k n o w n a s t h e d y n a m i c e n v i r o n m e n t . T h e d y n a m i c e n v i r o n m e n t g o v e r n s t h e s o l u t i o n a p p r o a c h ( i . e . , n o r m a l m o d e s , t r a n s i e n t r e s p o n s e , f r e q u e n c y r e s p o n s e , e t c . ) . T h i s e n v i r o n m e n t a l s o i n d i c a t e s t h e d o m i n a n t b e h a v i o r t h a t m u s t b e i n c l u d e d i n t h e a n a l y s i s ( i . e . , c o n t a c t , l a r g e d i s p l a c e m e n t s , e t c . ) . P r o p e r a s s e s s m e n t o f t h e d y n a m i c e n v i r o n m e n t l e a d s t o t h e c r e a t i o n o f a m o r e r e n e d n i t e e l e m e n t m o d e l a n d m o r e

m e a n i n g f u l r e s u l t s .

1 - 1 2 B a s i c D y n a m i c A n a l y s i s U s e r s G u i d e


21/372


F i g u r e 1 - 6 . O v e r v i e w o f D y n a m i c A n a l y s i s P r o c e s s

A n o v e r a l l s y s t e m d e s i g n i s f o r m u l a t e d b y c o n s i d e r i n g t h e d y n a m i c e n v i r o n m e n t . A s p a r t o f t h ee v a l u a t i o n p r o c e s s , a n i t e e l e m e n t m o d e l i s c r e a t e d . T h i s m o d e l s h o u l d t a k e i n t o a c c o u n t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m d e s i g n a n d , j u s t a s i m p o r t a n t l y , t h e n a t u r e o f t h e d y n a m i c l o a d i n g

( t y p e a n d f r e q u e n c y ) a n d a n y i n t e r a c t i n g m e d i a ( u i d s , a d j a c e n t s t r u c t u r e s , e t c . ) . A t t h i s p o i n t , t h e r s t s t e p i n m a n y d y n a m i c a n a l y s e s i s a m o d a l a n a l y s i s t o d e t e r m i n e t h e s t r u c t u r e s n a t u r a l f r e q u e n c i e s a n d m o d e s h a p e s ( s e e R e a l E i g e n v a l u e A n a l y s i s ) .

I n m a n y c a s e s t h e n a t u r a l f r e q u e n c i e s a n d m o d e s h a p e s o f a s t r u c t u r e p r o v i d e e n o u g h i n f o r m a t i o n t o m a k e d e s i g n d e c i s i o n s . F o r e x a m p l e , i n d e s i g n i n g t h e s u p p o r t i n g s t r u c t u r e f o r a r o t a t i n g f a n , t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s m a y r e q u i r e t h a t t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o f t h e s u p p o r t i n g s t r u c t u r e h a

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