This paper aims to derive a mathematical model of the dynamics of handling tasks in robot finger which stable grasping and manipulates a rigid object with some dexterity. Firstly, a set of differential equation describing dynamics of the manipulators and object together with geometric constraint of tight area-contacts is formulated by Lagrange's equation. Secondly, problems of controlling both the internal force and the rotation angle of the grasped object under the constraints of area-contacts of tight area-contacts are discussed. The effect of geometric constraints of area-contacts on motion of the overall system is analyzed and a method of computer simulation for overall system of differential-algebraic equations is presented. Thirdly, simulation results are shown and the effects of geometric constraints of area-contact is discussed. Finally, it is shown that even in the simplest case of dual single D.O.F manipulators there exists a sensory feedback from sensing data of the rotational angle of the object to command inputs to joint actuators and this feedback connection from sensing to action eventually realizes secure grasping of the object, provided that the object is of rectangular shape and motion is confined to a horizontal plane.
In multibody dynamics, differential and algebraic equations which can satisfy both equation of motion and kinematic constraint equation should be solved. To solve this equation, coordinate partitioning method and constraint stabilization method are commonly used. The coordinate partitioning method divides the coordinate into independent and dependent coordinates. The most typical coordinate partitioning method arc LU decomposition, QR decomposition, projection method and SVD(sigular value decomposition).The objective of this research is to find a efficient coordinate partitioning method in flexible multibody systems and a hybrid decomposition algorithm which employs both LU and projection methods is proposed. The accuracy of the solution algorithm is checked with a slider-crank mechanism.
The free vibration of rotating Euler-Bernoulli beams with the thickness and/or width of the cross-section vary linearly along the length is investigated by using the Adomian modified decomposition method (AMDM). Based on the AMDM, the governing differential equation for the rotating tapered beam becomes a recursive algebraic equation. By using the boundary condition equations, the dimensionless natural frequencies and the closed form series solution of the corresponding mode shapes can be easily obtained simultaneously. The computed results for different taper ratios as well as different offset length and rotational speeds are presented in several tables and figures. The accuracy is assured from the convergence and comparison with the previous published results. It is shown that the AMDM provides an accurate and straightforward method of free vibration analysis of rotating tapered beams.
In presence of collision between two rigid bodies, they exhibit impulsive behavior to generate physically feasible state. When the frictional impulse is involved, collision resolution can not be easily made based on a simple Newton's law or Poisson's law, mainly due to possible change of collision mode during collision, For example, sliding may change to sticking, and then sliding resumes. We first examine two conventional methods: the method of mode evolution by differential equation, and the other by linear complementarity programming. Then, we propose a new method for mode evolution by solving only algebraic equations defining mode changes. Further, our method attains the original nonlinear impulse cone constraint. The numerical simulation will elucidate the advantage of the proposed method as an alternative to conventional ones.
Design sensitivity analysis of a vehicle system is an essential tool for design optimization and trade-off studies. Most optimization algorithms require the derivatives of cost and constraint function with respect to design in order to calculate the next improved design. This paper presents an efficient algorithm application for the design sensitivity analysis, using the direct differentiation method. A mounting area of suspension that welded on chassis frame is analyzed to show the validity and the efficiency of the proposed method. A mounting area of suspension that welded on chassis frame is analyzed to show the validity and the efficiency of the proposed method.
For a dynamic analysis of a constrained multibody system, it is necessary to have a routine for satisfying kinematic constraints. LU decomposition scheme, which is used to divide coordinates into dependent and independent coordinates, is efficient but has great difficulty near the singular configuration. Other method such as the projection matrix, which is more stable near a singular configuration, takes longer simulation time due to the large amount of calculation for decomposition. In this paper, the row space and the null space of the Jacobian matrix are proposed by using the pseudo-inverse method and the projection matrix. The equations of the motion of a system are replaced with independent acceleration components using the null space of the Jacobian matrix. Also a new hybrid method is proposed, combining the LU decomposition and the projection matrix. The proposed hybrid method has following advantages. (1) The simulation efficiency is preserved by the LU method during the simulation. (2) The accuracy of the solution is also achieved by the projection method near the singular configuration.
The numerical techniques are presented to solve the static and dynamic contact problems of deformable bodies having large rotations of the contact surfaces. The contact conditions on the possible contact surfaces are enforced by using the contact error vector, and an iterative scheme similar to augmented Lagrange multiplier method is employed to reduce the contact error vector monotonically. For dynamic contact problems using implicit time integration, a contact error vector is also defined by combining the displacement, velocity, and acceleration on the contact surface. The suggested iterative technique is implemented to ABAQUS by using the UEL subroutine UEL. In this work, after the computing procedures to solve the frictional contact problems are explained, the numerical examples are presented to compare the present solutions with those obtained by ABAQUS.
We have developed a model for estimating the parameters of viscous materials from indirect tensile tests for asphalt. This is a simple Burger nonlinear rheological two-cell model or standard model. At the same time, we begin to develop a more versatile and complex multi-cell model. The simple model is validated using experimental load-displacement results from laboratory tests: The recorded displacements are used as input values and the measured force data are simulated with the model. The optimal model parameters are estimated using the Levenberg-Marquardt method and a very good agreement between the experimental results and the model calculations is shown. However, not all parts of the model are active in the loading phase of the experiment, so we extended the validation of the model to the simulation of the relaxation behaviour. In this stage, the other model parameters are activated and the simulation results are consistent with the literature. At this stage, we have estimated the parameters only for the two-cell uniaxial model, but further work will include results for the multi-cell model.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제20권3호
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pp.243-259
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2016
The Richards equation for water movement in unsaturated soil is highly nonlinear partial differential equations which are not solvable analytically unless unrealistic and oversimplifying assumptions are made regarding the attributes, dynamics, and properties of the physical systems. Therefore, conventionally, numerical solutions are the only feasible procedures to model flow in partially saturated porous media. The standard Finite element numerical technique is usually coupled with an Euler time discretizations scheme. Except for the fully explicit forward method, any other Euler time-marching algorithm generates nonlinear algebraic equations which should be solved using iterative procedures such as Newton and Picard iterations. In this study, lumped mass and distributed mass in the frame of Picard and Newton iterative techniques were evaluated to determine the most efficient method to solve the Richards equation with finite element model. The accuracy and computational efficiency of the scheme and of the Picard and Newton models are assessed for three test problems simulating one-dimensional flow processes in unsaturated porous media. Results demonstrated that, the conventional mass distributed finite element method suffers from numerical oscillations at the wetting front, especially for very dry initial conditions. Even though small mesh sizes are applied for all the test problems, it is shown that the traditional mass-distributed scheme can still generate an incorrect response due to the highly nonlinear properties of water flow in unsaturated soil and cause numerical oscillation. On the other hand, non oscillatory solutions are obtained and non-physics solutions for these problems are evaded by using the mass-lumped finite element method.
Despite popularity of FEM in analysis of static and dynamic structural problems and the routine applicability of FE softwares, analytical methods based on simple mathematical relations is still largely sought by many researchers and practicing engineers around the world. Development of such analytical methods for analysis of free vibration of non-prismatic beams is also of primary concern. In this paper a new and simple method is proposed for determination of vibration frequencies of non-prismatic beams under variable axial forces. The governing differential equation is first obtained and, according to a harmonic vibration, is converted into a single variable equation in terms of location. Through repetitive integrations, integral equation for the weak form of governing equation is derived. The integration constants are determined using the boundary conditions applied to the problem. The mode shape functions are approximated by a power series. Substitution of the power series into the integral equation transforms it into a system of linear algebraic equations. Natural frequencies are determined using a non-trivial solution for system of equations. Presented method is formulated for beams having various end conditions and is extended for determination of the buckling load of non-prismatic beams. The efficiency and convergence rate of the current approach are investigated through comparison of the numerical results obtained to those obtained using available finite element software.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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