The various total replacement artificial discs have developed because spinal fusion has shown a lesser mobility of an operated segment and an accelerated degeneration at adjacent discs. But almost artificial discs have not yet been reached on the substitute surgery of fusion because many problems such as those clinical success rates were not more than them of fusion have not solved. In this paper, vertically inserted assemble-screw fixture in vertebrae was proposed to improve the fixed capability of artificial disc. And also, to evaluate the design suitability of newly designed screw-type, including fixtures of commercial discs such as wedge and plate type, the 1/4 finite element model with a vertebra and various implanted fixtures were generated, and next, 3 bending motions such as flexion, bending and twisting under the moment of 10Nm and compression under the force of 1000N were considered, respectively and finally, FE analyses were performed. Results of three fixture types were compared, such as Range of Motion and maximal stress, and so on. For ROM, the screw type was average 58% less than the wedge type and was average 42% less than the plate type under all loading conditions. For average stress ratio at closer nodes between vertebra and each fixture, the wedge type was the lowest as minimum 0.02 in twisting, screw types were the highest as maximum 0.28 in compression. As the results of using cement material, it was predicted that the instability problem of the wedge type was better solved. The screw type which could be increased by implanting depth according to the number of assembling mid screws, showed that the decreased tendency of ROMs and maximal cancellous bone stresses. In further study, controlling the number of assembling screws that was suitable for a patient's bone quality, development of surgical tools and keeping on design supplementations, which will be able to develop the competitive artificial disc.
In this work, the bending and dynamic behaviors of advanced composite plates resting on variable visco-Pasternak foundations are studied using a simple shear deformation integral plate model. The research is carried out with a view to a three-parameter foundation including the influences of the variable Winkler coefficient, the constant Pasternak coefficient and the damping coefficient of the elastic medium. The present theory uses a displacement field with integral terms instead of derivative terms by including also the shear deformation effect without introducing the shear correction factors. The equations of motion for advanced composite plates are obtained using the Hamilton principle. Analytical solutions for the bending and dynamic analysis are deduced for simply supported plates resting on variable visco-Pasternak foundations. Some numerical results are presented to demonstrate the impact of material index, elastic foundation type, and damping coefficient of the foundation, on the bending and dynamic responses of advanced composite plates.
The free vibration of temperature-dependent functionally graded plates (FGPs) resting on a viscoelastic foundation is investigated in this paper using a newly developed simple first-order shear deformation theory (FSDT). Unlike other first order shear deformation (FSDT) theories, the proposed model contains only four variables' unknowns in which the transverse shear stress and strain follow a parabolic distribution along the plates' thickness, and they vanish at the top and bottom surfaces of the plate by considering a new shape function. For this reason, the present theory requires no shear correction factor. Linear steady-state thermal loads and power-law material properties are supposed to be graded across the plate's thickness. Uniform, linear, non-linear, and sinusoidal thermal rises are applied at the two surfaces for simply supported FGP. Hamilton's principle and Navier's approach are utilized to develop motion equations and analytical solutions. The developed theory shows progress in predicting the frequencies of temperature-dependent FGP. Numerical research is conducted to explain the effect of the power law index, temperature fields, and damping coefficient on the dynamic behavior of temperature-dependent FGPs. It can be concluded that the equation and transformation of the proposed model are as simple as the FSDT.
This paper presents a three-dimensional displacement-based formulation to investigate the free vibration of functionally graded nanoplates resting on a Winkler-Pasternak foundation based on the nonlocal elasticity theory. The material properties of the FG nanoplate are considered to vary continuously through the thickness of the nanoplate according to the power-law distribution model. A general three-dimensional displacement field is considered for the plate, which takes into account the out-of-plane strains of the plate as well as the in-plane strains. Unlike the shear deformation theories, in the present formulation, no predetermined form for the distribution of displacements and transverse strains is considered. The equations of motion for functionally graded nanoplate are derived based on Hamilton's principle. The solution is obtained for simply-supported nanoplate, and the predicted results for natural frequencies are compared with the predictions of shear deformation theories which are available in the literature. The predictions of the present theory are discussed in detail to investigate the effects of power-law index, length-to-thickness ratio, mode numbers and the elastic foundation on the dynamic behavior of the functionally graded nanoplate. The present study presents a three-dimensional solution that is able to determine more accurate results in predicting of the natural frequencies of flexural and thickness modes of nanoplates. The effects of parameters that play a key role in the analysis and mechanical design of functionally graded nanoplates are investigated.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.31
no.5
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pp.472-478
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2011
The purpose of this study was to analyze the kinetic effect of Soft-$golf^{TM}$ instrument on the human body structure. To analyze the kinetic effect of Soft-$golf^{TM}$ instrument, Golf swing using Soft-$golf^{TM}$ instrument and regular golf instrument was captured. And then Upper limbs and lumbar joint torques was calculated via computer simulation. Five man participated this study. Subjects performed golf swing using a regular golf and Soft-$golf^{TM}$ instrument. Golf swing motion was captured using three position sensor, active infrared LED maker and force plate. Golf swing model was generated and simulated using ADAMS/LifeMOD program. As a results, joint torque during Soft-golf swing were lower than regular golf swing. Thus soft-golf swing have joint load lower than regular golf swing and contribute to reduce joint injury.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.8
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pp.2101-2112
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1994
A two-dimensional biomechanical model was developed in order to calculated the lower extremity kinematics and kinetics during level walking. This model consists of three segments : the thigh, calf, and foot. Each segment was assumed to be a rigid body ; its motion to be planar in the sagittal plane. Five young males were involved in the gait experiment and their anthropometric data were measured for the calculation of segmental masses and moments of inertial. Six markers were used to obtain the kinematic data of the right lower extremity for at least three trials of walking at 1.0m/s, and simultaneously a Kistler force plate was used to obtain the foot-floor reaction data. Based on the experimental data acquired for the stance phase of the right foot, calculated vertical joint forces reached up to 0.91, 1.05, and 1.11 BW(body weight) at the hip, the knee, the ankle joints, respectively. The flexion-extension moments reached up to 69.7, 52.3, and 98.8 Nm in magnitude at the corresponding three joints. It was found that the calculated joint loadings of a subject were statistically the same for all his three trials, but not the same for all five subjects involved in the gait study.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.3
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pp.452-460
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2002
The precision stage using a novel contact-free planar actuator based on magnetic farces, magnetized force and Lorentz farce, is suggested. In the promising magnetic structure, the mover is driven directly without any transmission mechanism, and doesn't need any auxiliary driver for its posture calibration. Then it is estimated that the proposed operating principle is very suitable for work requiring high accuracy and cleanness, or general-purpose nano-stage. In this paper, we discuss a driving principle of the planar system including the magnetic force generation mechanism, a framework for the force model, governing characteristics of the levitated plate, and a planar motion control of the constructed prototype. And experimental results are given to verify the derived theoretical model and a feasibility of the system.
Park, Won-Man;Kim, Ki-Tack;Hong, Gyu-Pyo;Kim, Yoon-Hyuk;Oh, Taek-Yul
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.13
no.1
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pp.58-66
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2008
The artificial discs have recently used to preserve the motion of the treated segment in lumbar spine surgery. However, there have been lack of biomechanical information of the artificial discs to explain current clinical controversies such as long-term results of implant wear and excessive facet contact forces. In this study, we investigated the biomechanical effects of three artificial implants on the lumbar spinal segments by finite element analysis. The finite element model of intact lumbar spine(L1-S) was developed and the three implants were inserted in L4-L5 segment of the spine model. 5 Nm of flexion and extension moments were applied on the superior plate of L1 with 400 N of compressive load. Excessive motions and high facet contact forces at the surgical level were generated in the all three implanted models. In the flexion, the peak von-Mises stresses in the semi-constrained type implant was higher than those in the un-constrained type implant which would cause wear on the polyethylene core. The results of the study would provide a biomechanical guideline for selecting optimal surgical approach or evaluating the current design of the implants, or developing a new implant.
Karami, Behrouz;Gheisari, Parastoo;Nazemosadat, Seyed Mohammad Reza;Akbari, Payam;Shahsavari, Davood;Naghizadeh, Matin
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.6
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pp.809-819
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2020
For the first time, the influence of in-plane magnetic field on wave propagation of Graphene Nano-Platelets (GNPs) polymer composite nanoplates is investigated here. The impact of three- parameter Kerr foundation is also considered. There are two different reinforcement distribution patterns (i.e. uniformly and non-uniformly) while the material properties of the nanoplate are estimated through the Halpin-Tsai model and a rule of mixture. To consider the size-dependent behavior of the structure, Eringen Nonlocal Differential Model (ENDM) is utilized. The equations of wave motion derived based on a higher-order shear deformation refined theory through Hamilton's principle and an analytical technique depending on Taylor series utilized to find the wave frequency as well as phase velocity of the GNPs reinforced nanoplates. A parametric investigation is performed to determine the influence of essential phenomena, such as the nonlocality, GNPs conditions, Kerr foundation parameters, and wave number on the both longitudinal and flexural wave characteristics of GNPs reinforced nanoplates.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.16
no.5
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pp.211-217
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2007
A nano-imprinting stage has been widely used in various fields of nanotechnology. In this study, an analysis method of a nano-imprinting stage machine using FEM and flexible multi-body kinematics and dynamics has been presented. We have developed a virtual imprinting machine to evaluate the prototype design in the early design stage. The simulation using CAE for the imprinting machine is not only to analyze static and dynamic characteristics of the machine but also to determine design parameters of the components for the imprinting machine, such as dimensions and specifications of actuators and sensors. Structural components as the upper plate, the rotator, the shaft and the translator have been modeled with finite elements to analyze flexibility effects during the precision stage motion. In this paper flexible multi-body dynamic simulation is executed to support robust design of the precision stage mechanism. In addition, we made the 4-axis stage model to compare the dynamic behavior with that of 3-axis stage model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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