In this paper, a novel PARAllel FACtor (PARAFAC) decomposition based Blind Source Separation (BSS) algorithm is proposed for modal identification of structures equipped with tuned mass dampers. Tuned mass dampers (TMDs) are extremely effective vibration absorbers in tall flexible structures, but prone to get de-tuned due to accidental changes in structural properties, alteration in operating conditions, and incorrect design forecasts. Presence of closely spaced modes in structures coupled with TMDs renders output-only modal identification difficult. Over the last decade, second-order BSS algorithms have shown significant promise in the area of ambient modal identification. These methods employ joint diagonalization of covariance matrices of measurements to estimate the mixing matrix (mode shape coefficients) and sources (modal responses). Recently, PARAFAC BSS model has evolved as a powerful multi-linear algebra tool for decomposing an $n^{th}$ order tensor into a number of rank-1 tensors. This method is utilized in the context of modal identification in the present study. Covariance matrices of measurements at several lags are used to form a $3^{rd}$ order tensor and then PARAFAC decomposition is employed to obtain the desired number of components, comprising of modal responses and the mixing matrix. The strong uniqueness properties of PARAFAC models enable direct source separation with fine spectral resolution even in cases where the number of sensor observations is less compared to the number of target modes, i.e., the underdetermined case. This capability is exploited to separate closely spaced modes of the TMDs using partial measurements, and subsequently to estimate modal parameters. The proposed method is validated using extensive numerical studies comprising of multi-degree-of-freedom simulation models equipped with TMDs, as well as with an experimental set-up.
Lee Y. S.;Baek C. S.;Jang J. H.;Sim H. J.;Han C. S.;Han J. S.
Journal of Biomedical Engineering Research
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v.25
no.6
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pp.511-517
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2004
The existing rehabilitation systems were developed to exercise specific joints only. Therefore rehabilitating the various joints of human, various kinds of devices are need. To overcome these defects, this paper proposed the CMRS, an integrated system that performs various rehabilitation exercises. The characteristics of motion and the positions between human body and the system were investigated with the kinematics analysis of upper and lower limb of human body. We presented a proper mechanism to develop a rehabilitation device on the base of the study and studied the relative positions between head part and human joints. Through the simulations, the possibility of rehabilitation system was verified. And the base frame was also developed for convenient and stable position control. Finally, the CMRS was developed as an 8 degree of freedom mechanism. It is expected that the CMRS will be applied to the rehabilitations of various joints.
The evaluation of dynamic characteristics of bridges under operational traffic loads is a crucial aspect of bridge structural health monitoring. In the vehicle-bridge interaction (VBI) system, the vibration responses of bridge exhibit time-varying characteristics. To address this issue, an accurate time-frequency analysis method that combines the autoregressive power spectrum based empirical wavelet transform (AR-EWT) and local maximum synchrosqueezing transform (LMSST) is proposed to identify the time-varying instantaneous frequencies (IFs) of the bridge in the VBI system. The AR-EWT method decomposes the vibration response of the bridge into mono-component signals. Then, LMSST is employed to identify the IFs of each mono-component signal. The AR-EWT combined with the LMSST method (AR-EWT+LMSST) can resolve the problem that LMSST cannot effectively identify the multi-component signals with weak amplitude components. The proposed AR-EWT+LMSST method is compared with some advanced time-frequency analysis techniques such as synchrosqueezing transform (SST), synchroextracting transform (SET), and LMSST. The results demonstrate that the proposed AR-EWT+LMSST method can improve the accuracy of identified IFs. The effectiveness and applicability of the proposed method are validated through a multi-component signal, a VBI numerical model with a four-degree-of-freedom half-car, and a VBI model experiment. The effect of vehicle characteristics, vehicle speed, and road surface roughness on the identified IFs of bridge are investigated.
Purpose: As the number of gastric cancer survivors is increasing and their quality of life after surgery is being emphasized, single-port surgery is emerging as an alternative to conventional gastrectomy. A novel multi-degree-of-freedom (DOF) articulating device, the ArtiSential® device (LivsMed, Seongnam, Korea), was designed to allow more intuitive and meticulous control for surgeons facing ergonomic difficulties with conventional tools. In this study, we evaluated the feasibility of this new device during single-port laparoscopic distal gastrectomy (SP-LDG) for early gastric cancer (EGC) patients. Materials and Methods: Consecutive patients diagnosed with EGC who underwent SP-LDG with ArtiSential® (LivsMed) graspers between April 2018 and August 2020 were enrolled in the study. The clinical outcomes were compared with those of a control group, in which prebent graspers (Olympus Medical Systems Corp) were used for the same procedures. Results: Seventeen patients were enrolled in the ArtiSential® group. There was no significant difference in operative time (205.4±6.0 vs. 218.1±9.9 minutes, P= 0.270) or the quality of surgery, in terms of the number of retrieved lymph nodes (49.5±3.5 vs. 45.9±4.0, P=0.473), length of hospital stay (15.4±2.0 vs. 12.4±1.3 days, P=0.588), and postoperative complications (40.0% vs. 41.2%, P=0.595), between the ArtiSential® group and the control group. Conclusions: The new multi-DOF articulating grasper is feasible and can be used as an alternative for prebent graspers during SP-LDG.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.2
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pp.187-195
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2015
The gas explosions in offshore installations are known to be very severe according to its geometry and environmental conditions such as leak locations and wind directions, and a dynamic response of structures due to blast loads depends on the load profile. Therefore, a parametric study has to be conducted to investigate the effects of the dynamic response of structural members subjected to various types of load shapes. To do so, a series of CFD analyses was performed using a full-scale FPSO topside model including detail parts of pipes and equipments, and the time history data of the blast loads at monitor points and panels were obtained by the analyses. In this paper, we focus on a structural dynamic response subjected to blast loads changing the magnitude of positive/negative phase pressure and time duration. From the results of linear/nonlinear transient analyses using single degree of freedom(SDOF) and multi-degree-of freedom(MDOF) systems, it was observed that dynamic responses of structures were significantly influenced by the magnitude of positive and negative phase pressures and negative time duration.
Baigoly, Morteza;Shargh, Farzan H.;Rofooei, Fayaz R.
Earthquakes and Structures
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v.19
no.4
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pp.243-259
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2020
This study aims to optimize, design, and predict the MTMDs performance in SDOF systems using spectral analysis, and then apply their results to MDOF structures. Given the importance of spectral analysis in the design of new engineering structures, achieving a method for designing TMDs based on this theory can be of great importance for structural designers. In this study, several convenient combinations of MTMDs in an SDOF system are first considered to minimize the maximum displacement. For calculating the frequency ratios of dampers, an innovative technique is adopted in which the values of different modal responses obtained from the spectral analysis are approached together. This procedure is done using a harmony search (HS) algorithm. Also, using the random vibration theory, the damping ratio of the dampers is obtained. Then, an equation is presented for predicting the performance of MTMDs. For evaluating this equation, three structures with different stories are designed. Some of the presented combinations of dampers are added to them. The time history analyses are employed to analyze the structures under 30 different accelerograms. The findings indicated that the proposed equation could efficiently predict the performance of the MTMDs. Furthermore, four different patterns of damper distribution along the height of the structures are defined. The effect of them on the maximum deformation of the structures in time history analyses is discussed, and an equation is presented to estimate this effect. The results indicated that the average and maximum error percentages of the proposed equations are about three and seven percent, respectively, compared to the time history analyses results, which are negligible values.
The stochastic stability control of the parameter-excited vibration of an inclined stay cable with multiple modes coupling under random and periodic combined support disturbances is studied by using the direct eigenvalue analysis approach based on the response moment stability, Floquet theorem, Fourier series and matrix eigenvalue analysis. The differential equation with time-varying parameters for the transverse vibration of the inclined cable with control under random and deterministic support disturbances is derived and converted into the randomly and deterministically parameter-excited multi-degree-of-freedom vibration equations. As the stochastic stability of the parameter-excited vibration is mainly determined by the characteristics of perturbation moment, the differential equation with only deterministic parameters for the perturbation second moment is derived based on the $It{\hat{o}}$ stochastic differential rule. The stochastically and deterministically parameter-excited vibration stability is then determined by the deterministic parameter-varying response moment stability. Based on the Floquet theorem, expanding the periodic parameters of the perturbation moment equation and the periodic component of the characteristic perturbation moment expression into the Fourier series yields the eigenvalue equation which determines the perturbation moment behavior. Thus the stochastic stability of the parameter-excited cable vibration under the random and periodic combined support disturbances is determined directly by the matrix eigenvalues. The direct eigenvalue analysis approach is applicable to the stochastic stability of the control cable with multiple modes coupling under various periodic and/or random support disturbances. Numerical results illustrate that the multiple cable modes need to be considered for the stochastic stability of the parameter-excited cable vibration under the random and periodic support disturbances, and the increase of the control damping rather than control stiffness can greatly enhance the stochastic stability of the parameter-excited cable vibration including the frequency width increase of the periodic disturbance and the critical value increase of the random disturbance amplitude.
Ground motion records are commonly used for fragility curves (FCs) developing utilized in seismic loss estimating analysis for earthquake prone zones. These records could be 'real', say the recorded acceleration time series or 'simulated' records consistent with the regional seismicity and produced by use of alternative simulation methods. This study has focused on fragility curves developing for masonry buildings through computational 'simulated' ground motion records while evaluating the properness of these fragilities compared to the curves generated by the use of 'real' records. Assessing the dynamic responses of structures, nonlinear computational time history analyses through the equivalent single degree of freedom systems have been implemented on OpenSees platform. Accordingly, computational structural analyses of multi-story 3D frame structures with different stiffening members considering soil interaction have been carried out with finite element software according to (1992) Earthquake East-West component. The obtained results have been compared to each frame regarding soil interaction. Conclusion and recommendations with the discuss of obtaining findings are presented.
The stochastic optimal control for a piezoelectric spherically symmetric shell subjected to stochastic boundary perturbations is constructed, analyzed and evaluated. The stochastic optimal control problem on the boundary stress output reduction of the piezoelectric shell subjected to stochastic boundary displacement perturbations is presented. The electric potential integral as a function of displacement is obtained to convert the differential equations for the piezoelectric shell with electrical and mechanical coupling into the equation only for displacement. The displacement transformation is constructed to convert the stochastic boundary conditions into homogeneous ones, and the transformed displacement is expanded in space to convert further the partial differential equation for displacement into ordinary differential equations by using the Galerkin method. Then the stochastic optimal control problem of the piezoelectric shell in partial differential equations is transformed into that of the multi-degree-of-freedom system. The optimal control law for electric potential is determined according to the stochastic dynamical programming principle. The frequency-response function matrix, power spectral density matrix and correlation function matrix of the controlled system response are derived based on the theory of random vibration. The expressions of mean-square stress, displacement and electric potential of the controlled piezoelectric shell are finally obtained to evaluate the control effectiveness. Numerical results are given to illustrate the high relative reduction in the root-mean-square boundary stress of the piezoelectric shell subjected to stochastic boundary displacement perturbations by the optimal electric potential control.
Kim, Min-Seong;Jo, Sang-Young;Koo, Young-Mok;Jeong, Yang-Gun;Han, Sung-Hyun
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.19
no.1
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pp.1-9
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2016
In this paper, we propose a new learning control scheme for various walk motion control of biped robot with same learning-base by neural network. We show that learning control algorithm based on the neural network is significantly more attractive intelligent controller design than previous traditional forms of control systems. A multi layer back propagation neural network identification is simulated to obtain a dynamic model of biped robot. Once the neural network has learned, the other neural network control is designed for various trajectory tracking control with same learning-base. The biped robots have been received increased attention due to several properties such as its human like mobility and the high-order dynamic equation. These properties enable the biped robots to perform the dangerous works instead of human beings. Thus, the stable walking control of the biped robots is a fundamentally hot issue and has been studied by many researchers. However, legged locomotion, it is difficult to control the biped robots. Besides, unlike the robot manipulator, the biped robot has an uncontrollable degree of freedom playing a dominant role for the stability of their locomotion in the biped robot dynamics. From the simulation and experiments the reliability of iterative learning control was illustrated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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