TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5298 ~ 53 0 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.422 5          5298     Re cei v ed Au gust 26, 20 13 ; Revi sed  Jan uary 28, 201 4 ;  Accepte d  Febru a ry 12, 2 014   Wind-Induced Vibration Analysis of Overhead  Working  Truck       Hongqi Jian g 1,2 , Shuncai Li  2 , Xianbiao Mao 1 1 Chin a Univ ers i t y  of Mini ng &  T e chnolog y;  Xuzho u , jia ngsu,  2210 08; Ch ina   2 Jiangs u Norm al Univ ersit y Xuz h o u ,jia ngs u, 2211 16; Ch i n a       A b st r a ct   As to the co mp licate d  char acteri stics of over hea d w o rking t r uck  un der effe cts of rando dyna mi c   w i nd, the tra d iti ona meth od  is  difficu lt to refl e c t its dy n a m ic r e spo n se  in  rea l  ti me, i n  th e st udy; it  prop ose s   the ran d o m  w i nd i nduc ed v i b r ation r e spo n s e  an alysis  met hod  bas ed o n  the finite  el e m e n t metho d   and   pseu do-exc i tati on  meth od. A n  it reg a rds th e vibr ati on  of  the fluctu ating  w i nd lo ad  as  coher ent ra nd o m   vibrati on un der  stationary ran d o m  excitati on,  and it us es D a venp ort w i nd velocity sp ectru m  w h ich d oes  not   chan ge w i th h e ig ht, the correlati on of the  w i nd exci tation are considered. It  ta kes the folding type arm   overh ead w o rk ing truck as  e x ampl e, the ra ndo m w i n d  vib r ation  ana lysis  are p e rforme d, and  it gets  the   accel e ratio n  r e spons e sp ectr um a nd r oot  me an  squ a re  the  of a e ria l  w o rk pl atfor m . T he  ana lysis r e sults   show  that the  l o w - order freq u ency w ill c aus e  great vi brati o n  of the w o rk  p l atform, a nd th e  vertical  on e thi r of the ro ot-me an-sq uare  of a cceler a tion  is  bel ow  inte rn ati ona l stan dards , it has n o   unc omfort ed  effect o n   oper ation w o rk ers.     Ke y w ords   the pseu do- ex citation  meth o d , overhe ad w o rkin g truck, th e w i nd vibrati o n respo n se, ra ndo vibrati o n     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .         1. Introducti on  As a  kind  of engin eeri n g  machine r y and e quipm e n t, the overh ead  wo rkin g  truck i s   widely  used i n  shipbuilding, constr uction, munici pal  construction, fire   cont rol, et c. The  stability of   workin g pl atform  and  security are o n e  of t he  key  techn o logie s  of overhea d  wo rki ng t r u c resea r ch. Wit h  the in cre a se of high b u il ding s,  the op eration  difficu lty of  overhea d wo rki ng tru ck  height i s  hig h e r a nd hi ghe r; the arm  sle n dern e ss  ra tio is  mo re and more big,  the wind  l oad effect  is mo re ap pa rent. As the  wind lo adin g   may pro d u c large r  defo r m a tion and vib r ation [1-3], it will  seri ou s impa ct on the safe ty of  t he operating arm a n d  operatio n pe rso nnel.   Natural win d  in the pro c e ss of flow  du e to the influence of vario u s ob sta c le s on the   grou nd, its speed p r e s ent s the ra ndo m  fluctuating  chara c te risti c s.  It is general ly believed that  natural  wi nd i s   comp osed  of the  averag e win d  a nd fl uctuatin g wi n d  [4], the spe ed of  wind  ha s an  averag com pone nt and  a  pulsating  co mpone nt. Th eref o r e, un de r the effe ct of  natural wi nd,  the   load  stru cture  of wind i s  co mpos ed of two part s : one i s  the ave r ag e calm l oad  u nder th e a c tion  of the wi nd; the second  is  fluc tuating l o ad un de r the  action  of r a n dom p u lse. T he loa d   stru cture   cau s e d  by th e static defo r mation  can  b e  obtain ed  th roug static  analysi s  of th e structu r e; a nd  fluctuating  wi nd component will ca use the induced vibration of  t he structure,  the continuous  vibration will  cau s stru ctu r e fatigue da mage, and  al so can cau s e  the discomfo rt of worke r s.   In conventio n a l desi gn, it often take the  wi nd lo ad a s  the static force and then ta ke the  certai n wi nd  vibration  coe fficient into consi der ation,  and the  cal c ulatio n re sul t s ca n not fu lly  reflect the dy namic  re spo n s e of win d  lo ad excitation.  So it is nece s sary to ca rry  out the dyna mic   respon se  ana lysis of a e rial   work m a chin ery und er  th e  fluctuating  wi nd loa d , in o r der to  gra s p t h e   dynamic perf ormance of the  structure and improve the re liability of system design.      2. Basic The or y  of Pseud o -ex c ita t ion Metho d   Acco rdi ng to  vibration the o ry, unde r th e ze ro  i n itial  con d ition, the  con s tant  co efficient  linear frequ en cy re spo n se functio n  of the  system  is th e ratio of inp u t  vector and  o u tput harm oni c   conte n t, namely that:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Wind -Indu ce d Vibration A nalysi s  of Overhe ad Worki ng Tru c k (Ho ngqi Ji ang 5299   H Xt Y t                                                          (1)                                           Whe r e,  H  is f r e quen cy  re sp onse fun c tio n X t  is F o u r ier  tr an s f or m of   x t Yt  is Fouri e r tra n sform of  y t .     Whe n  the  lin ear  syste m s i s  affe cted  by  the statio nary  ran dom  excit a tion fun c tion F t  of  the spe c tral d ensity  FF S , and the respon se of  powe r  sp ect r um is a s  (2 ) [5-6].       2 XX FF SH S                                                          (2)    Whe r H is the freq uen cy respon se fu nction,  which  mean s wh en  the rand om  excitation  of incentive i s t i e , the corre s p ondin g  harm onic  re spo n se is it X tH e . If  the incentive  t i e  is  multiplied b y  the con s t ant F F S , namely  that co nst r uct  a virtu a l incentives function it FF F tS e , then the correspon ding vi rtual re sp on se is:      it FF X tS H e                                             (3)    The a c tual  resp on se  can  be obtai ned  from  po we r spe c tral de n s ity and  cross po we spe c tru m  den sity and the calcul ation formula are as f o llows:     2 2 F FX X X XX H S S                                                          (4)    it it F FF F F F F X F XS e S H e S H S                                                  (5)    it i t F FF F F F X F X FS H e S H e H S S                                                    (6)    Whe r e   X X S  re pre s ent s the  actu al resp onse of th e  po wer spe c tral de nsity,  F X S   rep r e s ent s th e actu al in ce ntive and the  actual  re sp o n se of  the  p o we r spe c tra l   den sity,  X F S   rep r e s ent s the actual resp onse and a c t ual in centive cro s s-po wer  spe c tral d e n s ity.  If the system  has m o re tha n  one  re spo n s e, th ro ugh t he type (4 ) ~  (6) type, the  available  power spe c trum matrix ca n be obtain:     T FF SX X  T FX SF X  T XF SX F     Whe r e *  rep r ese n ts compl e x conju gate  and T re pre s ents tra n sp ose      3.    Wind Vibr ation Respo n se An aly s is     Fluctuatin g wind loa d on  the structu r e ca used by  vibration, ca n be lo oked  as mo re  coh e re nt ran dom vib r ation  problem  un d e stationa ry rand om excit a tion,  the dyn a mic  differe ntial  equatio n is a s  (7 ).         M Zt C Z t K Zt F t                                 (7)    Whe r e,  M  C  K  repre s e n ts th e mass, dam ping an st if f nes s mat r ix   of stru cture,  r e spec tively;    t Z  re pre s e n ts t he n ode  di spl a cem ent ve ct or;  t F rep r e s ent s the   wind  lo ad   vector of fluct uating.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5298 – 53 04   5300 Acco rdi ng to  the vibration mode de compo s ition  method, the  Equation (7 ) can b e   rewritten a c cordin g to the vibration mo d e  [7, 8].           1 q jj j zt u t ut                                               (8)    Whe r e, q is the sele cte d  numbe r of  vibration m ode,  j u  rep r e s ents the di splacement,  j   rep r e s ent s vibration ve ctor.  Acco rdi ng to  the spe c ification, the ge neral  ta ke  Davenpo rt fluctuating win d  velocity  spe c tru m  is take n as the  excitation sp ectru m it does not chang e with  height,  since the po wer  spe c tru m  of its expre s sion i s     22 10 0 0 4 2 3 10 0 4 12 00 , 1 ff KV x n Sn x V nx                                                (9)    Among th em:   2 n  represents the p u lsating  wind  freq uen cy;  10 V    rep r e s e n ts ave r ag wind   spe ed when t he heig h t is 1 0  m; K is the  coeffi ci ent wh ich is related  to surfa c e rou ghne ss.  As the flu c tu ating wi nd  ra ndomn e ss, if  take th correlation  bet ween diffe rent  ran dom  excitation,   coh  , the level of cross  spe c tru m  of fluc tuating win d  velo city can b e  e x presse as  [9]:      ij jj ii ij coh S S S                                                      (10)    Whe r   10 2 1 2 z 2 y 2 V z C y C x n coh x C exp   10 C C 16 C z y x ,   repre s e n t the space attenuatio n coeffici ent  z y x , ,  are the coordinate differe nce of the two points.   Thro ugh  (7 ) a nd (8), th e lo ad p o we sp e c trum  matrix PP S can b e  obtai ne d, obviou s ly  that   PP S is the Hermite matrix , so it can be deco m po se d throug h LDL method. Thus th e   (11 )  is obtai n ed.       T PP DL L S *                                                                                      (11)    Whe r e, L is t he triang ula r  matrix, D is a diago nal matrix.  If tak e  the firs t k   c o lumn if the vec t or k L , D no  k  diag o nal ele m ent s k d ,  c a n co ns tr uc virtual excitation vector n a s  follows:        n 2 1 k e d L t x t i k k k , , , , ~                                  (12)    The virtual re spo n se of t he stru cture  can  be obtaine d.           t i k k T k e d L H t z ~                                              (13)    Whe r H  repre s ent s the freq uen cy respon se fun c tion.        22 1 2 j jj j H i                                                                  (14)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Wind -Indu ce d Vibration A nalysi s  of Overhe ad Worki ng Tru c k (Ho ngqi Ji ang 5301 Whe r j j  rep r esent the n a tural fre que ncy and  dam ping ratio, Throu gh (3), the   Power s p ec trum matrix   z is as  (1 5):          T k n 1 k k zz z z S ~ ~                                                       (15)      4. Wind Vibration Respo n se An aly s is   In the study, the wo rk  high  arm is  co mp ose d  of re cta ngula r  cro ss  se ction of the  uppe arm, lowe r arm. The uppe r arm head  wo rk platfo rm are used fo r tra n sp orting p e o p le and go od s,  the arm  up  a nd do wn  are  throu gh the  oil cylind e r lif ting, and a d o p ts the lig ht  vehicle  ch assis   (whi ch  is  as sho w n  in Fi gure  1).  Wh en the  wo rk  arm i s  in th e  elevated p o s ition, the  st eel  pro c e ssi ng  can b e  a dopt ed in  oil  cyli nder,  upp er  arm  and  lo wer  arm  can  use  the  ele m ent  simulatio n  of Euler Bern oulli beam, oil cylinde r can be  simu lated throp u gh usin g a one- dimen s ion a l bar ele m ent. the co nstraint pro c e ssi ng a r e adopte d  in the lower a r m oil cylinde r an the lowe r arm ,  the simplified operation a r m is a s  sh o w n in Figure 2 , It is the finite  element mod e whi c h is  com posed of sev en nod es a n d  seven unit s The  wo rki n g  hei ght i s  a bout 1 4 13 5. 9 5 lm 36 5. 6 lm 23 0. 4 9 5 lm 56 1. 4 lm 67 0. 45 l m ,, E=207 00M Pa Upp e r arm  A 1 =3.8 6×1 0 -3 m2 I1=3.85×10 -5 m4 , L o w e r  ar m A2= 3 .64× 1 0 - 3 m2 I2=3.07×10 -5 m4. Oil  cylinde r A=7. 53×10 -3 m2 I = 1.39 ×1 0 -5 m4.  Land scap e coefficient K is 0.039, the basi c  wi n d  pre s sure i s  0.9 KN/m2, the Davenpo rt  fluctuating  wi nd spee d spe c trum i s  lo oked a s   the  sta ndard wi nd  speed. T h ro ug h the softwa r e of  ANSYS, the f i nite element model of operating arm is  established. In the model analysis, the fi rst   4 ord e r vib r a t ion mode i s  sele cted, th e model  dam ping ratio is  set a s  0.02.  The de scri ption   mode shap es and diag ram  are a s  sh own  in Table 1 an d Figure 3.            Figure 1. Di agra m  of the Wo rkin g Arm       Table 1. The  First Fo ur O r der Vibration  Mode   Orde r time   Natural fre quenc y /Hz   Modal descriptions  4.85  12.07   18.40   48.23   Overall vertical arm sw inging   Upper a r m bent   Upper an d lo w e arms  Under th e arms  bent    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5298 – 53 04   5302       Figure 2. The  Finite Element Model Ope r ation  Ar Figure 3. The  First 4 Order Modal Vibrati on  Mode                                                      In the frequ ency ra nge  of 0.2Hz to  50Hz, throu g h  the Matlab  simulation  prog ram,                  the assignm ents a r m at the front of node 1 h o ri zontal and ve rtical di spla cement and t he  accele ration  power spe c trum are  sho w n in Figure 4 to Figure 7.            Figure 4. Hori zontal Po we r Spectrum of Nod e   Figure 5. Acceleratio n  Power Spe c trum  of  N o de  1                   Figure 6. Vertical Di spl a ce ment Powe Spectrum of Nod e  1   Figure 7. Vertical Accele r at ion Powe Spectrum No de 1       From the Fi g u re 4 to Fig u re 7 it can b e  see n  that, in the first order natural frequ ency of   5Hz a n d  second  order na tural frequ en cy 12 Hz, vi bration  re spo n se of  nod e 1   work platform  is  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Wind -Indu ce d Vibration A nalysi s  of Overhe ad Worki ng Tru c k (Ho ngqi Ji ang 5303 obviou s , in the othe r fre quen cy, the  vibration i s  relatively sma ll, the natura l  freque ncy  of  vibration fre q uen cy and th e main vibrati on mode freq uen cy are ne arly the sam e   Re cent stu d i e s have  sh o w n that [10], freque ncy  se nsitive freq ue ncy of huma n  body in  the up and do wn fluctuatio n  is betwee n  4  and 8Hz,  an d the sen s itive freque ncy o f  vibration ba ck   and fo rth i s   betwe en 1 - 2 H z,  and   so me a r ea  of the b ody can  pro d u c re sonan ce,  with  the  increa se  of frequ en cy, se nsitivity, and  the vi bratio n will  influen ce th comf ort. The  severe   vibration resp onse is le ss t han 30 Hz, an d the influen ce of vertical vibration o n  co mfort is ab out  70%, hori z o n t al vibration  is a bout 1 2 %. In order  to  study the  effect of vib r ati on on  pe rson nel  comfo r t deg ree, the resp onse spe c tru m  is  cal c ulat ed through  p s eu do-excitat i on metho d i n   freque ncy ra nge of 1 to 20Hz, a serie s  of discrete freque ncy poin t s are sele cted, throug h the   type (13), the  mean sq ua re  root  of accel e ration  can b e  cal c ulate d   r r f f zz d S 12 . 1 89 . 0 3 1                                                   (16)    Table 2 an d table 3 lists th e operating a r m head  re sp ectively the horizontal an d vertical  1/3 freq uen cy  multiplicatio n  ope ration  pl atform a c cele ration  root m ean  squ a re.  Acco rdi ng to  the   internatio nal  stand ard ISO  2631 b ody fatigue/effici e n cy lower lim it, the accel e r ation root m ean  squ a re  of the  type of overhead  wo rki n g  truck are  sta ndard 8 ho urs working effi cien cy und er  the  lowe r limit, which  ca n en sure th at wo rkers in eig h t small ba sic i s   not influen ce d by win d  vibration   in the working time.      Table 2. Mea n  Square Ro ot of Accele ra tion  of One T h ird Frequ en cy Dou b ling (hori z ontal Center  frequenc y /Hz   1 2 3  4 5 6  10  1 3 / 1 / s m   0.002 0.003 0.005 0.006 0.008 0.010 0.018 0.024 0.016 0.015 Center  frequenc y /Hz   11 12 13  14 15 16  17  18  19 20  1 3 / 1 / s m   0.031 0.084 0.090 0.087 0.065 0.018 0.011 0.010 0.010 0.009     Table 3. Mea n  Square Ro ot of Accele ra tion  of One T h ird Frequ en cy Dou b ling (vertical Center  frequenc y /Hz   2 3 4 5 6 7  8 9  10  1 3 / 1 / s m   0.006 0.0072  0.0151  0.0174  0.0194   0.033   0.0572   0.0893  0.0568   0.0463   Center  frequenc y/Hz   11  12 13 14 15 16 17  18 19  20  1 3 / 1 / s m   0.095 0.255   0.2906  0.2649  0.1936  0.0611  0.0403   0.0387  0.0348   0.0277       5. Conclusio n   As the  com p l e x ch ara c teri stics of  wo rki ng  tru c k u n d e rand om  dynamic wi nd l oad, the   traditional  de sign  ca n not reflect its dyn a m ic respon se  accurately, in the stu d y, the finite elem ent  method  and  pse udo -excit ation meth od  are  ado pted  in the  wind  indu ced  vibration  re spo n s e   analysi s  of worki ng tru c k, it can both a c curately  reflects the o peration arm vib r ation respon se   cau s e d  by a f l uctuatin g wi n d  load,  and  al so  can   imp r o v e the efficie n cy of  comp u t ing, and it  ca n   provide a fea s ible  way for wind in du ced  vibration an al ysis  of wo rki ng truck.    Thro ugh the  analysi s  of the level of operatio n pl atform, vertical displa ce m ent and  accele ration   power  sp ectrum, the first and  se co nd  ord e r frequ ency vib r atio n re sp on se  are   signifi cantly, and the vert ical vibratio n  resp on se i s  gre a ter th an the hori z ontal vibration   respon se.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5298 – 53 04   5304 One third a cceleratio n  mea n  squ a re  root  of the worki n g  arm op erati on platform a t  each  freque ncy poi nt is belo w  the intern atio nal body fatigue/efficie n cy  standa rd s of  ISO2631, an d it  has n o  sig n ificantly effects  on the wo rkers.      Referen ces   [1]  Sun D o n g ke, L i n L i ha o, Z h ang  Yah u i, etc.  T he  w i nd  in du ced ra nd om vi bratio n a nal ys i s  of comp le structures.  Jou r nal of mech an ical e ngi ne erin g.  2001; 5( 3): 55-61.    [2]  XU  You lin, Z H ANG W ensho u ,  KO J M, et al.  T he Pseu do -  e x citatio n  met hod for  vibr atio n an al ysis  o f   w i nd - Ex citedstructures.  Jou r nal of W i nd E ngi neer in g and  Industrial Aer o  Dyna mics . Tu rn ed  1 9 99:  443- 454.   [3]  WT X u, JHL in, YHZ  Hang. 2 d movin g  elem ent method  for  rand om vibrati on an al ys is of  of vehicl es  o n   Kirchh off plate   w i th K e lvi n  fo und atio n.  Jour nal  of Lati n  A m er ic a - S o li and Str u ctures . 200 9; 6:16 9- 183.   [4]  W ang F a n g li n, Gao  w e i, C h en Ji anj un. Pr escrib ed  b y  rit ual l a w  i n ce nti v e ante n n a  structure u nde r   rand om vibrati on an al ysis.  Jo urna l of eng ine e rin g  mecha n ic s . 2006; 23( 2): 168- 172.    [5]  Lin  ha o Z h an g Ya hui.  Ra nd om vibr atio n o f  the ps eu do- exc i tatio n  met hod. B e ij in g: s c ienc e pr ess.   200 4.   [6]  Sun Z u o y u,  w a ng h u i. Structu r al ra nd om vibr ation an al ysis  of  eq uiva lent e x citati on  m e tho d Journ a l of   eng ine e ri ng mecha n ics . 20 10 ; 27(1): 20-23.    [7]  W ang  w e do n g , Sun  Li nin g   Du Z h i jia ng. M o ve th e arm v i bratio n a nal ys i s  base d   on  ps eud o-e x citati on   method.  Jour n a l of jili n un iver sity (engi neer in g scienc e).  201 0; 40(4): 10 82- 108 5.  [8]  Bu Guo Xio n g   T an Ping, zh ang  yi ng, etc. Large ra nd o m   w i nd vi br ati on resp ons e o f  tall buil d in g   analy sis.  Journ a l of Harb in ins t itute of technol ogy.  201 0; (2): 175- 179.    [9]    Sun Jia n rui  Xu Ch angs he ng . Marine d e ck  cr ane b oom  structure  w i n d  vi bratio n res p onse stu d y .   Journ a l of liftin g  the transp o rt mac h i nery . 20 09; 12: 20- 23.   [10]  Li Li ng xuan S ong Gu iqi u , flo w ,  etc. Base on ANSYS,  th e an al y s is of t he effect of na tural vibr atio n   character i stics of passen ger tr ain.  Jour nal  of vibrati on an d s hock . 201 1; 30 (1):  121-12 3.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.