The pounding phenomenon in adjacent structures happens in severing earthquakes that can cause great damages. Connecting neighboring structures with active and semi-active control devices is an effective method to avoid mutual colliding between neighboring buildings. One of the most important issues in control systems is applying online control force. There will be a time delay if the prose of producing control force does not perform on time. This paper proposed a time-delay compensation method in coupled structures control, with semi-active Magnetorheological (MR) damper. This method based on Newmark's integration is adopted to mitigate the time-delay effect. In this study, Lyapunov's direct approach is employed to compute demanded voltage for MR dampers. Using Lyapunov's direct algorithm guarantees the system stability to design a controller based on feedback. Because of the strong nonlinearity of MR dampers, the equation of motion of coupled structures becomes an involved equation, and it is impossible to solve it with the common time step methods. In present paper modified Newmark-Beta integration based on the instantaneous optimal control algorithm, used to solve the involved equation. In this method, the response of a coupled system estimated base on optimal control force. Two MDOF structures with different degrees of freedom are finally considered as a numeric example. The numerical results show, the Newmark compensation is an efficient method to decrease the negative effect of time delay in coupled systems; furthermore, instantaneous optimal control algorithm can estimate the response of structures suitable.
In this paper we present the linearized equations of motion for a bicycle as a benchmark. The results obtained by pencil-and-paper and two programs are compared. The bicycle model we consider here consists of four rigid bodies, viz. a rear frame, a front frame being the front fork and handlebar assembly, a rear wheel and a front wheel, which are connected by revolute joints. The contact between the knife-edge wheels and the flat level surface is modelled by holonomic constraints in the normal direction and by non-holonomic constraints in the longitudinal and lateral direction. The rider is rigidly attached to the rear frame with hands free from the handlebar. This system has three degrees of freedom, the roll, the steer, and the forward speed. For the benchmark we consider the linearized equations for small perturbations of the upright steady forward motion. The entries of the matrices of these equations form the basis for comparison. Three diffrent kinds of methods to obtain the results are compared : pencil-and-paper, the numeric multibody dynamics program SPACAR, and the symbolic software system Auto Sim. Because the results of the three methods are the same within the machine round-off error, we assume that the results are correct and can be used as a bicycle dynamics benchmark.
In this study a tracked vehicle is idealized as a 2-dimensional 9-degrees-of-freedom model which takes into account the effects of HSU units, torsion bars, and track. For the model equations of motion are derived using Kane's method. By using the equations of motion, a numerical example is solved and results are compared to those obtained by using a general purpose multi body dynamic analysis program. The comparison study shows the reasonable coherence between the two results. which confirms the effectiveness of the model. With the model, dynamic response optimization is carried out. The objective function is the peak value of the vertical acceleration of the vehicle at the driver's seat, and the constraints are the wheel travel limits, the ground clearance. and the limits of other design variables. Three different sets of design variables are chosen and used for the optimization. The results show the attenuation of the acceleration peak value. Thus the procedure presented in this study can be utilized for the design improvement of the real system.
Several new versatile two-dimensional p-version finite elements are developed. The element matrices are integrated analytically to guarantee the accuracy and monotonic convergence of the predicted solutions of the proposed p-version elements. The analysis results show that the convergence rate of the present elements is very fast with respect to the number of additional Fourier or polynomial terms in shape functions, and their solutions are much more accurate than those of the linear finite elements for the same number of degrees of freedom. Additionally, the new p-version plate elements without the reduced integration can overcome the shear locking problem over the conventional h-version elements. Using the proposed p-version elements with fast convergent characteristic, the elasto-plastic impact of the structure attached with the absorber is simulated. Good agreement between the simulated and experimental results verifies the present p-version finite elements for the analyses of structural dynamic responses and the structural elasto-plastic impact. Further, using the elasto-plastic impact model and the p-version finite element method, the absorber of the T structure on the Qiantang River is designed for its collision protection.
There is not enough mixed finite element method (MFEM) model developed for static and dynamic analysis of functionally graded material (FGM) beams in the literature. The main purpose of this study is to develop a reliable and efficient computational modeling using an efficient functional in MFEM for free vibration and static analysis of FGM composite beams subject to high order shear deformation effects. The modeling of material properties was performed using mixture rule and Mori-Tanaka scheme which are more realistic determination techniques. This method based on the assumption that a two phase composite material consisting of matrix reinforced by spherical particles, randomly distributed in the beam. To explain the displacement components of the shear deformation effects, it was accepted that the shear deformation effects change sinusoidal. Partial differential field equations were obtained with the help of variational methods and then these equations were transformed into a novel functional for FGM beams with the help of Gateaux differential derivative operator. Thanks to the Gateaux differential method, the compatibility of the field equations was checked, and the field equations and boundary conditions were reflected to the function. A MFEM model was developed with a total of 10 degrees of freedom to apply the obtained functional. In the numerical applications section, free vibration and flexure problems solutions of FGM composite beams were compared with those predicted by other theories to show the effects of shear deformation, thickness changing and boundary conditions.
In the present article, the vibration response of a geometrically imperfect bi-directional functionally graded plate (2D-FGP) with geometric discontinuities and micro-structural defects (porosities) has been investigated. A porosity model has been developed to incorporate the effective material properties of the bi-directional FGP which varies in two directions i.e. along the axial and transverse direction. The geometric discontinuity is also introduced in the plate in the form of a circular cut-out at the center of the plate. The structural kinematic formulation is based on the non-polynomial trigonometric higher-order shear deformation theory (HSDT). Finite element formulation is done using C° continuous Lagrangian quadrilateral four-noded element with seven degrees of freedom per node. The equations of motion have been derived using a variational approach. Convergence and validation studies have been documented to confirm the accuracy and efficiency of the present formulation. A detailed investigation study has been done to evaluate the influence of the circular cut-out, geometric imperfection, porosity inclusions, partial supports, volume fraction indexes (along with the thickness and length), and geometrical configurations on the vibration response of 2D-FGP. It is concluded that after a particular cut-out dimension, the vibration response of the 2D FGP exhibits non-monotonic behavior.
This paper presents a new nine-node Lagrangian quadrilateral plate bending element (MQP9) using the Integrated Force Method (IFM) for the analysis of thin and moderately thick plate bending problems. Three degrees of freedom: transverse displacement w and two rotations ${\theta}_x$ and ${\theta}_y$ are considered at each node of the element. The Mindlin-Reissner theory has been employed in the formulation which accounts the effect of shear deformation. Many standard plate bending benchmark problems have been analyzed using the new element MQP9 for various grid sizes via Integrated Force Method to estimate defections and bending moments. These results of the new element MQP9 are compared with those of similar displacement-based plate bending elements available in the literature. The results are also compared with exact solutions. It is observed that the presented new element MQP9 is free from shear locking and produced, in general, excellent results in all plate bending benchmark problems considered.
FEM analysis is essential to shorten the development time and reduce the cost for developing high-performance machine tools. Mount joint parts play important role to ensure static and dynamic stability of machine tools. This paper suggests a computational modeling of mount joint part of machine tools. MATRIX27 element of ANSYS is adopted to model mount joint parts. MATRIX27 allows the definition of stiffness and damping matrices in matrix form. The matrix is assumed to relate two nodes, each with six degrees of freedom per node. Stiffness and damping values of commercial mount products are measured to build a database for FEM analysis. Jack mounts with rubber pad are exemplified in this paper. The database extracted from the experiments is also used to estimate of stiffness and damping of untested mounts. FEM analysis of machine tools system with the suggested mount computational model is performed. Static and dynamic results prove the feasibility of the suggested mount model.
This study is devoted to developing many new substructure models for ballasted railway track by using the pyramid model philosophy. As the effect of railway embankment has been less considered in the previous studies in the field of vehicle/track interaction, so the present study develops the pyramid models in the presence of railway embankment and implements them in vehicle/track interaction dynamic analyses. Considering a moving car body as multi bodies with 10 degrees of freedom and the ballasted track including rail, sleeper, ballast, subgrade and embankment, two categories of numerical analyses are performed by considering the new substructure systems including type A (initiation of stress overlap areas in adjacent sleepers from the ballast layer) or type B (initiation of stress overlap areas in adjacent sleepers from the subgrade layer). A comprehensive sensitivity analyses are performed on effective parameters such as ballast height, sleepers spacing and sleeper width. The results indicate that the stiffness of subgrade, embankment and foundation increased by increasing the ballast height. Also, by increasing the ballast height, rail and ballast vertical displacement decreased.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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