Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.1
s.244
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pp.18-25
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2006
The purpose of this research work is to demonstrate a successful application of hybrid-mixed formulation and nodeless degrees of freedom in developing a very accurate in-plane curved beam element for free vibration analysis. To resolve the numerical difficulties due to the spurious constraints, the present element, based on the Hellinger-Reissner variational principle and considering the effect of shear deformation, employed consistent stress parameters corresponding to cubic displacement polynomials with additional nodeless degrees. The stress parameters were eliminated by the stationary condition, and the nodeless degrees were condensed by Guyan Reduction. Several numerical examples indicated that the property of the mass matrix as well as that of the stiffness matrix have a great effect on the numerical performance. The element with consistent mass matrix produced best results on convergence and accuracy in the numerical analysis of Eigenvalue problems. Also, the higher-order mixed curved beam element showed a superior numerical behavior for the free vibration analyses.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.33
no.10
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pp.1045-1053
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2009
Precision stages for 6-DOF positioning, actuated by PZT stacks, which are fed back by gap sensors and guided by flexure hinges, have enlarged their application territory in micro/nano manufacturing and measurement area. The precision stages inherently have such limitations as the nonlinearity between input and output in piezoelectric stacks, feedback signal noise in precision capacitive gap sensors and low material damping in precision kinematic linkages of mechanical flexures. To surmount these limitations, the precision stage is modeled with physics-based variables, which are identified by transient response correspondence, and a gain margin calculation algorithm using the Prandtl-Ishlinskii model and describing function is newly developed to assess system performance more precisely than linear controller design schemes. Based on such analyses, a precision positioning controller is designed. Excellent positioning accuracy with rapid settlement accomplished by the controller is shown in step responses of the closed-loop system.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.19
no.8
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pp.47-54
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2002
A barrel cam is used as a very important part of an index drive unit. The index drive unit must have an intermittent-rotational motion. The barrel typed cam and roller gear mechanism has the advantages of high reliability to perform a prescribed motion of a follower. This paper proposes a new method for the shape design of the barrel cam and also a CAD program is developed by using the proposed method. As defined in this paper, the relative velocity method for the shape design calculates the relative velocity of the follower versus cam at a center of roller, and then determines a contact point by using the geometric relationships and the kinematic constraints, where the direction of the relative velocity must be parallel to a common tangential line at the contact point of two independent bodies, i.e. the cam and the follower Then, the shape of the cam is defined by the coordinate transformation of the trace of the contact points. This paper presents two examples for the shape design of the barrel cam in order to prove the accuracy of the proposed methods.
This paper presents a decentralized motion control method of welding mobile manipulators which use for welding in many industrial fields. Major requirements of welding robots are accuracy, robust, and reliability so that they can substitute for the welders in hazardous and worse environment. To do this, the manipulator has to take the torch tracking along a welding trajectory with a constant velocity and a constant heading angle, and the mobile-platform has to move to avoid the singularities of the manipulator. In this paper, we develop a kinematic model of the mobile-platform and the manipulator as two separate subsystems. With the idea that the manipulator can avoid the singularities by keeping its initial configuration in the welding process, the redundancy problem of system is solved by introducing the platform mobility to realize this idea. Two controllers for the mobile-platform and the manipulator were designed, respectively, and the relationships between two controllers are the velocities of two subsystems. Control laws are obtained based on the Lyapunov function to ensure the asymptotical stability of the system. The simulation and experimental results show the effectiveness of the proposed controllers.
In this paper, a novel higher-order shear deformation theory (HSDT) is proposed for the analysis of the hygro-thermo-mechanical behavior of functionally graded (FG) plates resting on elastic foundations. The developed model uses a novel kinematic by considering undetermined integral terms and only four variables are used in this model. The governing equations are deduced based on the principle of virtual work and the number of unknown functions involved is reduced to only four, which is less than the first shear deformation theory (FSDT) and others HSDTs. The Navier-type exact solutions for static analysis of simply supported FG plates subjected to hygro-thermo-mechanical loads are presented. The accuracy and efficiency of the present model is validated by comparing it with various available solutions in the literature. The influences of material properties, temperature, moisture, plate aspect ratio, side-to-thickness ratios and elastic coefficients parameters on deflections and stresses of FG plates are also investigated.
We present a machine learning approach to estimating stellar atmospheric parameters, effective temperature (Teff), surface gravity (log g), and metallicity ([Fe/H]) for stars observed during the course of the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). For training a neural network, we randomly sampled the SDSS data with stellar parameters available from SEGUE Stellar Parameter Pipeline (SSPP) to cover the parameter space as wide as possible. We selected stars that are not included in the training sample as validation sample to determine the accuracy and precision of each parameter. We also divided the training and validation samples into four groups that cover signal-to-noise ratio (S/N) of 10-20, 20-30, 30-50, and over 50 to assess the effect of S/N on the parameter estimation. We find from the comparison of the network-driven parameters with the SSPP ones the range of the uncertainties of 73~123 K in Teff, 0.18~0.42 dex in log g, and 0.12~0.25 dex in [Fe/H], respectively, depending on the S/N range adopted. We conclude that these precisions are high enough to study the chemical and kinematic properties of the Galactic disk and halo stars, and we will attempt to apply this technique to Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST), which plans to obtain about 8 million stellar spectra, in order to estimate stellar parameters.
Purpose: The purpose of this study was to investigate the validity and reliability of the measurement of shoulder joint motions using an inertial measurement unit (IMU). Methods: For this study, 33 participants (32 females and 1 male) were recruited. The subjects were passively positioned with the shoulder placed at specific angles using a goniometer (shoulder flexion $0^{\circ}-170^{\circ}$, abduction $0^{\circ}-170^{\circ}$, external rotation $0^{\circ}-90^{\circ}$, and internal rotation $0^{\circ}-60^{\circ}$ angles). Kinematic data on the shoulder joints were simultaneously obtained using IMU three-dimensional (3D) angular measurement (MyoMotion) and photographic measurement. Test-retest reliability and concurrent validity were examined. Results: The MyoMotion system provided good to very good relative reliability with small standard error of measurement (SEM) and minimal detectable change (MDC) values from all three planes. It also presented acceptable validity, except for some of shoulder flexion, shoulder external rotation, and shoulder abduction. There was a trend for the shoulder joint measurements to be underestimated using the IMU 3D angular measurement system compared to the goniometer and photo methods in all planes. Conclusion: The IMU 3D angular measurement provided a reliable measurement and presented acceptable validity. However, it showed relatively low accuracy in some shoulder positions. Therefore, using the MyoMotion measurement system to assess shoulder joint angles would be recommended only with careful consideration and supervision in all situations.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11a
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pp.297-303
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2001
This research presents an analytical model to characterize the ball bearing vibration due to the waviness in a rigid rotor supported by multi-row ball bearings considering centrifugal force and gyroscopic moment of ball. The effects of centrifugal force and gyroscopic moment are introduced to the kinematic constraints and force equilibrium equations. The waviness of ball and races is modeled by the superposition of sinusoidal function and it is introduced to position vectors of race curvature center to use the Hertzian contact theory in order to calculate the elastic deflection and nonlinear contact force resulting from the waviness while the rotor has translational and angular motion. They can be determined by solving the nonlinear equations of motion with five degrees of freedom by using the Runge-Kutta-Fehlberg algorithm. The accuracy of this research is validated by comparing with the results of the prior researches. It characterizes the vibration frequencies resulting from the various kinds of waviness in rolling elements, the harmonic frequencies resulting from the nonlinear load-deflection characteristics of ball bearing resulting from the waviness interaction.
The static analysis of structures with arbitrary cross-section geometry and material lamination via a refined one-dimensional (1D) approach is presented in this paper. Higher-order 1D models with a variable order of expansion for the displacement field are developed on the basis of Carrera Unified Formulation (CUF). Classical Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are obtained as particular cases of the first-order model. Numerical results of displacement, strain and stress are provided by using the finite element method (FEM) along the longitudinal direction for different configurations in excellent agreement with three-dimensional (3D) finite element solutions. In particular, a layered thin-walled cylinder is considered as first assessment with a laminated conventional cross-section. An atherosclerotic plaque is introduced as a typical structure with arbitrary cross-section geometry and studied for both the homogeneous and nonhomogeneous material cases through the 1D variable kinematic models. The analyses highlight limitations of classical beam theories and the importance of higher-order terms in accurately detecting in-plane cross-section deformation without introducing additional numerical problems. Comparisons with 3D finite element solutions prove that 1D CUF provides remarkable three-dimensional accuracy in the analysis of even short and nonhomogeneous structures with arbitrary geometry through a significant reduction in computational cost.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.11
no.3
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pp.1-10
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1991
The paper is concerned with the analysis of laminated composite shell structures using an improved degenerated shell element. In the formulation of the element stiffness, the combined use of three different techniques was made. They are; 1) an enhanced interpolation of transverse shear strains in the natural coordinate system to overcome the shear locking problem; 2) the reduced integration technique in in-plane strains to avoid the membrane locking behavior; and 3) selective addition of the nonconforming displacement modes to improve the element performances. This element is free of serious shear/membrane locking problems and undesirable compatible/commutable spurious kinematic deformation modes. An incremental total Lagrangian formulation is presented which allows the calculation of arbitrarily large displacements. The resulting non-linear equilibrium equations are solved by the Newton-Raphson method. The versatility and accuracy of this improved degenerated shell element are demonstrated by solving several numerical examples.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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