A harmonic type differential quadrature approach for nonlinear dynamic analysis of multi-degree-of-freedom systems has been developed. A series of numerical examples is conducted to assess the performance of the HDQ method in linear and nonlinear dynamic analysis problems. Results are compared with the existing solutions available from other analytical and numerical methods. In all cases, the results obtained are quite accurate.
The main objective of this study is to examine the accuracy of the complete quadratic combination (CQC) rule with the modal responses defined by the ordinates of the uniform hazard spectra (UHS) to evaluate the peak responses of the multi-degree-of-freedom (MDOF) systems subjected to nonstationary seismic excitations. For the probabilistic analysis of the peak responses, it is considered that the seismic excitations can be modeled using evolutionary power spectra density functions with uncertain model parameters. More specifically, a seismological model and the Kanai-Tajimi model with the boxcar or the exponential modulating functions were used to define the evolutionary power spectral density functions in this study. A set of UHS was obtained based on the probabilistic analysis of transient responses of single-degree-of-freedom systems subjected to the seismic excitations. The results of probabilistic analysis of the peak responses of MDOF systems were obtained, and compared with the peak responses calculated by using the CQC rule with the modal responses given by the UHS. The comparison seemed to indicate that the use of the CQC rule with the commonly employed correlation coefficient and the peak modal responses from the UHS could lead to significant under- or over-estimation when contributions from each of the modes are similarly significant.
This paper presents a novel structural damage detection method with a new damage index based on the statistical moments of dynamic responses of a structure under a random excitation. After a brief introduction to statistical moment theory, the principle of the new method is put forward in terms of a single-degree-of-freedom (SDOF) system. The sensitivity of statistical moment to structural damage is discussed for various types of structural responses and different orders of statistical moment. The formulae for statistical moment-based damage detection are derived. The effect of measurement noise on damage detection is ascertained. The new damage index and the proposed statistical moment-based damage detection method are then extended to multi-degree-of-freedom (MDOF) systems with resort to the leastsquares method. As numerical studies, the proposed method is applied to both single and multi-story shear buildings. Numerical results show that the fourth-order statistical moment of story drifts is a more sensitive indicator to structural stiffness reduction than the natural frequencies, the second order moment of story drift, and the fourth-order moments of velocity and acceleration responses of the shear building. The fourth-order statistical moment of story drifts can be used to accurately identify both location and severity of structural stiffness reduction of the shear building. Furthermore, a significant advantage of the proposed damage detection method lies in that it is insensitive to measurement noise.
Base isolation is one of the most widely implemented and well-known technique to reduce structural vibration and damages during an earthquake. However, while the base-isolated structure reduces storey drift significantly, it also increases the base drifts causing many practical problems. This study proposes the use of Shape Memory Alloys (SMA) wires for the reduction in base drift while controlling the overall structure vibrations. A multi-degree-of-freedom (MDOF) structure along with base isolators and Shape-Memory-Alloys (SMA) wires in diagonal is tested experimentally and analytically. The isolation bearing considered in this study consists of laminates of steel and silicon rubber. The performance of the proposed structure is evaluated and studied under different loadings including harmonic loading and seismic excitation. To assess the seismic performance of the proposed structure, shake table tests are conducted on base-isolated MDOF frame structure incorporating SMA wires, which is subjected to incremental harmonic and historic seismic loadings. Root mean square acceleration, displacement and drift are analyzed and discussed in detail for each story. To better understand the structure response, the percentage reduction of displacement is also determined for each story. The result shows that the reduction in the response of the proposed structure is much better than conventional base-isolated structure.
The empirical mode decomposition (EMD) method is well-known for its ability to decompose a multi-component signal into a set of intrinsic mode functions (IMFs). The method uses a sifting process in which local extrema of a signal are identified and followed by a spline fitting approximation for decomposition. This method provides an effective and robust approach for decomposing nonlinear and non-stationary signals. On the other hand, the IMF components do not automatically guarantee a well-defined physical meaning hence it is necessary to validate the IMF components carefully prior to any further processing and interpretation. In this paper, an attempt to use the EMD method to identify properties of nonlinear elastic multi-degree-of-freedom structures is explored. It is first shown that the IMF components of the displacement and velocity responses of a nonlinear elastic structure are numerically close to the nonlinear normal mode (NNM) responses obtained from two-dimensional invariant manifolds. The IMF components can then be used in the context of the NNM method to estimate the properties of the nonlinear elastic structure. A two-degree-of-freedom shear-beam building model is used as an example to illustrate the proposed technique. Numerical results show that combining the EMD and the NNM method provides a possible means for obtaining nonlinear properties in a structure.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.4
no.2
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pp.255-270
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2006
In this paper, a design method of nonlinear autopilot for ship-to-ship missiles is proposed. Ship-to-ship missiles have strongly coupled dynamics through roll, yaw, and pitch channel in comparison with general STT type missiles. Thus it becomes difficult to employ previous control design method directly since we should find three different solutions for each control fin deflection and should verify the stability for more complicated dynamics. In this study, we first propose a control loop structure for roll, yaw, and pitch autopilot which can determine the required angles of all three control fins. For yaw and pitch autopilot design, missile model is reduced to a minimum phase model by applying a singular perturbation like technique to the yaw and pitch dynamics. Based on this model, a multi-input multi-output (MIMO) nonlinear autopilot is designed. And the stability is analyzed considering roll influences on dynamic couplings of yaw and pitch channel as well as the aerodynamic couplings. Some additional issues on the autopilot implementation for these coupled missile dynamics are discussed. Lastly, 6-DOF (degree of freedom) numerical simulation results are presented to verify the proposed method.
Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems
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v.13
no.1
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pp.70-75
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2003
There come various types of robot with researches for mobile robot. This paper introduces the multi-joint snake robot having 16 degree of freedom and composing of eight-axis. The biological snake robot uses the forward movement friction and the proposed artificial snake robot uses the un-powered wheel instead of the body of snake. To determine the enable joint angle of each joint, the controller inputs are considered such as color and distance using PC Camera and ultra-sonic sensor module, respectively. The movement method of snake robot is sequential moving from head to tail through body. The target for movement direction is decided by a certain article be displayed in the PC Camera. In moving toward that target, if there is any obstacle then the snake robot can avoid by itself. In this paper, we show the method of snake robot for tracing the target with experiment.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1989.10a
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pp.46-50
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1989
Methods for the estimation of the coefficient matrices in the equation of motion for a linear multi-degree-of-freedom structure arc studied. For this purpose, the equation of motion is transformed into an auto-regressive and moving average with auxiliary input (ARMAX) model. The ARMAX parameters are evaluated using several methods of parameter estimation; such as toe least squares, the instrumental variable, the maximum likelihood and the limited Information maximum likelihood methods. Then the parameters of the equation of motion are recovered therefrom. Numerical example is given for a 3-story building model subjected to an earthquake exitation.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1990.10a
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pp.79-84
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1990
The modal parameter estimations of linear multi-degree-of-freedom structural dynamic systems are carried out in time domain. For this purpose, the equation of motion is transformed into the autoregressive and moving average model with auxiliary stochastic input (ARMAX) model. The parameters of the ARMAX model are estimated by using the sequential prediction error method. Then, the modal parameters of the system are obtained thereafter. Experimental results are given for a 3-story building model subject to ground exitations.
This paper designs the robust hybrid controller for the multi degree-of-freedom system having uncertainty caused by modeling error and disturbances. The controlled plant is the construction which has an active dynamic vibration absorber on the top and is excited by the El Centre earthquake at the base. The active controller designed by the LQR(Linear Quadratic Regulator) and H-infinity control theory. The robustness of the hybrid H$\infty$ controller is compared with that of the hybrid LQ controller from computer simulation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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