Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.24
no.3
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pp.325-331
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2018
This paper deals with the dynamical analysis of a vessel that leads to capsize in regular beam seas. The complete investigation of nonlinear behaviors includes sub-harmonic motion, bifurcation, and chaos under variations of control parameters. The vessel rolling motions can exhibit various undesirable nonlinear phenomena. We have employed a linear-plus-cubic type damping term (LPCD) in a nonlinear rolling equation. Using the fourth order Runge-Kutta algorithm with the phase portraits, various dynamical behaviors (limit cycles, bifurcations, and chaos) are presented in beam seas. On increasing the value of control parameter ${\Omega}$, chaotic behavior interspersed with intermittent periodic windows are clearly observed in the numerical simulations. The chaotic region is widely spread according to system parameter ${\Omega}$ in the range of 0.1 to 0.9. When the value of the control parameter is increased beyond the chaotic region, periodic solutions are dominant in the range of frequency ratio ${\Omega}=1.01{\sim}1.6$. In addition, one more important feature is that different types of stable harmonic motions such as periodicity of 2T, 3T, 4T and 5T exist in the range of ${\Omega}=0.34{\sim}0.83$.
Recently, a new foundation model called "Dynamic foundation model" was proposed for the dynamic analysis of structures on the foundation. This model includes a linear elastic spring, shear layer, viscous damping and the special effects of mass density parameter of foundation during vibration. However, the relationship of foundation property parameters with the experimental parameter of the influence of foundation mass also has not been established in previous research. Hence, the purpose of the paper presents a simple experimental model in order to establish relationships between foundation properties such as stiffness, depth of foundation and experimental parameter of the influence of foundation mass. The simple experimental model is described by a steel plate connected with solid rubber layer as a single degree of freedom system including an elastic spring connected with lumped mass. Based on natural circular frequencies of the experimental models determined from FFT analysis plots of the time history of acceleration data, the experimental parameter of the influence of foundation mass is obtained and the above relationships are also discussed.
Evaluation on the sidesway seismic collapse capacity of the widely used low- and medium-height structures is meaningful. These structures with such type of collapse are recognized that behave as inelastic deteriorating single-degree-of-freedom (SDOF) systems. To incorporate the deteriorating effects, the hysteretic loop of the nonlinear SDOF structural model is represented by a tri-linear force-displacement relationship. The concept of collapse capacity spectra are adopted, where the incremental dynamic analysis is performed to check the collapse point and a normalized ground motion intensity measure corresponding to the collapse point is used to define the collapse capacity. With a large amount of earthquake ground motions, a systematic parameter study, i.e., the influences of various ground motion parameters (site condition, magnitude, distance to rupture, and near-fault effect) as well as various structural parameters (damping, ductility, degrading stiffness, pinching behavior, accumulated damage, unloading stiffness, and P-delta effect) on the structural collapse capacity has been performed. The analytical formulas for the collapse capacity spectra considering above influences have been presented so as to quickly predict the structural collapse capacities.
Forced vibration analysis of a simple supported viscoelastic nanobeam is studied based on modified couple stress theory (MCST). The nanobeam is excited by a transverse triangular force impulse modulated by a harmonic motion. The elastic medium is considered as Winkler-Pasternak elastic foundation.The damping effect is considered by using the Kelvin-Voigt viscoelastic model. The inclusion of an additional material parameter enables the new beam model to capture the size effect. The new non-classical beam model reduces to the classical beam model when the length scale parameter is set to zero. The considered problem is investigated within the Timoshenko beam theory by using finite element method. The effects of the transverse shear deformation and rotary inertia are included according to the Timoshenko beam theory. The obtained system of differential equations is reduced to a linear algebraic equation system and solved in the time domain by using Newmark average acceleration method. Numerical results are presented to investigate the influences the material length scale parameter, the parameter of the elastic medium and aspect ratio on the dynamic response of the nanobeam. Also, the difference between the classical beam theory (CBT) and modified couple stress theory is investigated for forced vibration responses of nanobeams.
In this paper, a new and simplified method is presented in which the natural frequencies of the uniform and non-uniform beams are calculated through simple mathematical relationships. The various vibration problems such as: Rayleigh beam under variable axial force, axial vibration of a bar with and without end discrete spring, torsional vibration of a bar with an attached mass moment of inertia, flexural vibration of the beam with laterally distributed elastic springs and also flexural vibration of the beam with effects of viscose damping are investigated. The governing differential equations are first obtained and then; according to a harmonic vibration, are converted into single variable equations in terms of location. Through repetitive integrations, the governing equations are converted into weak form integral equations. The mode shape functions of the vibration are approximated using a power series. Substitution of the power series into the integral equations results in a system of linear algebraic equations. The natural frequencies are determined by calculation of a non-trivial solution for system of equations. The efficiency and convergence rate of the current approach are investigated through comparison of the numerical results obtained with those obtained from other published references and results of available finite element software.
The aerial application using an unmanned helicopter has been already utilized and an attitude controller would be developed to enhance the operational convenience and safety of the operator. For a preliminary study of designing flight controller, a state space model for an RC helicopter would be identified. Frequency sweep flight tests were performed and time history data were acquired in the previous study. In this study, frequency response of the flight test data of a small unmanned helicopter was analyzed by using the CIFER software. The time history flight data consisted of three replications each for collective pitch, aileron, elevator and rudder sweep inputs. A total of 36 frequency responses were obtained for the four control stick inputs and nine outputs including linear velocities and accelerations and angular velocities in 3-axis. The results showed coherence values higher than 0.6 for every primary control inputs and corresponding on-axis outputs for the frequency range from 0.07 to 4 Hz. Also the analysis of conditioned frequency response showed its effectiveness in evaluating cross coupling effects. Based on the results, the dynamic characteristics of the model helicopter can further be analyzed in terms of transfer functions and the undamped natural frequency and damping ratio of each critical mode.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.4
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pp.247-257
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2003
This paper presents an analytical method to Investigate the stability of a hydrodynamic journal bearing with rotating herringbone grooves. The dynamic coefficients of the hydrodynamic Journal bearing are calculated using the FEM and the perturbation method. The linear equations of motion can be represented as a parametrically excited system because the dynamic coefficients have time-varying components due to the rotating grooves, even in the steady state. Their solution can be assumed as a Fourier series expansion so that the equations of motion can be rewritten as simultaneous algebraic equations with respect to the Fourier coefficients. Then, stability can be determined by solving Hill's infinite determinant of these algebraic equations. The validity of this research is proved by the comparison of the stability chart with the time response of the whirl radius obtained from the equations of motion. This research shows that the instability of the hydrodynamic journal bearing with rotating herringbone grooves increases with increasing eccentricity and with decreasing groove number, which play the major roles in increasing the average and variation of stiffness coefficients, respectively. It also shows that a high rotational speed is another source of instability by increasing the stiffness coefficients without changing the damping coefficients.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.394-400
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2008
This paper presents an analytical method to investigate the stability of FDBs (fluid dynamic bearings) considering the tilting motion. The perturbed equations of motion are derived with respect to translational and tilting motion for the general rotor-bearing system with five degrees of freedom. The Reynolds equations and their perturbed equations are solved by using the FEM in order to calculate the pressure, load capacity, and the stiffness and damping coefficients. This research introduces the radius of gyration to the equations of notion in order to express the mass moment of interia with respect to the critical mass. Then the critical mass of FDBs is determined by solving the eigenvalue problem of the linear equations of motion. This research is numerically validated by comparing the stability chart of FDBs with the time response of the whirl radius obtained from the direct integration of the equations of motion. This research shows that the tilting motion is one of the major design considerations to determine the stability of rotating system. It also shows that the stability of FDBs considering only translation is overestimated in comparison with the stability of FDBs considering both translational and tilting motion.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.6
s.177
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pp.1513-1519
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2000
This paper proposes a hybrid control method of using impedance control and the computed-torque control for biped robot locomotion. Computed torque control is used for supporting (constrained) leg. For the free leg, the impedance control is used, where different values of impedance parameters are used depending on the gait phase of the biped robot. To reduce the magnitude of an impact and guarantee a stable footing when a foot contacts with the ground, this paper proposes to increase the damping of the leg drastically and to modify the reference trajectory of the leg. Computer simulations with a 3 -dof environment model for which a combination of a nonlinear and a linear compliant models is used, show that the proposed controller is superior to the computed-torque controllers in reducing impacts and stabilizing the footing.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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