The size and shape of free volume (FV) holes available in membrane materials control the rate of gas diffusion and its permeability. Based on this principle, a segmented, thermo-sensitive polyurethane (TSPU) membrane with functional gate, i.e., the ability to sense and respond to external thermo-stimuli, was synthesized. This smart membrane exhibited close-open characteristics to the size of the FV hole and water vapor permeation and thus can be used as smart food packaging materials. Differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), positron annihilation lifetimes (PAL) and water vapor permeability (WVP) were used to evaluate how the morphological structure of TSPU and the temperature influence the FV holes size. In DSC and DMA studies, TSPU with a crystalline transition reversible phase showed an obvious phase-separated structure and a phase transition temperature at $53^{\circ}C$ (defined as the switch temperature and used as a functional gate). Moreover, the switch temperature ($T_s$) and the thermal-sensitivity of TSPU remained available after two or three thermal cyclic processes. The PAL study indicated that the FV hole size of TSPU is closely related to the $T_s$. When the temperature varied cyclically from $T_s-10{\circ}C$ to $T_s+10^{\circ}C$, the average radius (R) of the FV holes of the TSPU membrane also shifted cyclically from 0.23 to 0.467 nm, exhibiting an "open-close" feature. As a result, the WVP of the TSPU membrane also shifted cyclically from 4.30 to $8.58\;kg/m^2{\cdot}d$, which produced an "increase-decrease" response to the thermo-stimuli. This phase transition accompanying significant changes in the FV hole size and WVP can be used to develop "smart materials" with functional gates and controllable water vapor permeation, which support the possible applications of TSPU for food packaging.
The use of smart dampers to optimally control the response of structures is on the increase. To maximize the potential use of such damper systems, their accurate modeling and assessment of their performance is of vital interest. In this study, the performance of a controllable fluid dashpot damper, in terms of damper forces, damper dynamic range and damping force hysteretic loops, respectively, is studied mathematically. The study employs a damper Bingham-Maxwell (BingMax) model whose mathematical formulation is developed using a Fourier series technique. The technique treats this one-dimensional Navier-Stokes's momentum equation as a linear superposition of initial-boundary value problems (IBVPs): boundary conditions, viscous term, constant Direct Current (DC) induced fluid plug and fluid inertial term. To hold the formulation applicable, the DC current level to the damper is supplied as discrete constants. The formulation and subsequent simulation are validated with experimental results of a commercially available magneto rheological (MR) dashpot damper (Lord model No's RD-1005-3) subjected to a sinusoidal stroke motion using a 'SCHENK' material testing machine in the Materials Laboratory at the University of Technology, Sydney.
The concept of structural vibration control is to absorb vibration energy of the structure by introducing auxiliary devices. Various types of structural vibration control theories and devices have been recently developed and introduced into mechanical systems. One of such devices is damper employing controllable fluids such as ElectroRheological (ER) or MagnetoRheological (MR) fluids. MagnetoRheological (MR) materials are suspensions of fine magnetizable ferromagnetic particles in a non-magnetic medium exhibiting controllable rheological behaviour in the presence of an applied magnetic field. This paper presents the modelling of an MRfluid damper. The damper model is developed based on Newtonian shear flow and Bingham plastic shear flow models. The geometric parameters are varied to get the optimised damper characteristics. The numerical analysis is carried out to estimate the damping coefficient and damping force. The analytical results are compared with the experimental results. The results confirm that MR damper is one of the most promising new semi-active devices for structural vibration control.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.21
no.3
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pp.306-312
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2016
In general, the shape of a 3D printed object is not to be changed after the generation. Most changes, for example, contraction of a molten polymer after cooling is thought to be undesirable. 4D printing however tries to make benefit of a shape change after the part is generated. The shape change is required to be controllable in response to an external stimuli. These artifacts from 4D printing are called kinetic components which are defined as structures formed by combining inert materials and smart materials that change under certain stimuli. We propose a design software that can systematically calculate inert links with smart joints to follow the shape of the target design.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.4
s.50
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pp.77-84
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2006
Recently, as large structures such as high-rise building and long span bridge become lighter and more flexible, the necessity of structural control for reducing excessive dynamic response due to seismic excitation is increased. In this study, a semi-active base isolation system using Magneto-Sensitive (MS) rubbers is proposed to effectively protect structures against earthquakes. MS Rubber is a class of smart controllable materials whose mechanical properties change instantly by the application of a magnetic field. To demonstrate the performance of this device, the MS Rubber isolation system is compared to Lead-Rubber Bearing (LRB) isolation systems and judged based on computed responses to several historical earthquakes. The MS Rubber isolation system is shown to achieve notable decreases in base drifts over comparable passive systems with no accompanying increase in base shears or in accelerations imparted to the superstructure. The proposed MS Rubber system is shown to perform better than the passive isolation system.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.437-444
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2006
Recently, as large structures become lighter and more flexible, the necessity of structural control for reducing excessive displacement and acceleration due to seismic excitation is increased. As a means to minimize seismic damages, various base isolation systems are adopted or considered for adoption. In this study, a base isolation system using Magneto-Sensitive(MS) rubbers is proposed and shown to effectively protect structures against earthquakes. The MS Rubber is a class of smart controllable materials whose mechanical properties change instantly by the application of a magnetic field To demonstrate the advantages of this approach, the MS Rubber isolation system is compared to Lead-Rubber Bearing(LRB) isolation systems and judged based on computed responses to several historical earthquakes. The MS Rubber isolation system is shown to achieve notable decreases in base drifts over comparable passive systems with no accompanying increase in base shears or in accelerations imparted to the superstructure.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.04a
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pp.51-54
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2005
Shape memory alloys (SMAs) find many applications in smart composite structural systems as the active components. Their ability to provide a high force and large displacement makes them an excellent candidate for an actuator for controlling the shape of smart structures. In this paper, using a macroscopic model that captures the thermo-mechanical behaviors and the two-way shape memory effect (TWSME) of SMAs smart morphing polymeric composite shell structures like shape-changeable UAV wings is demonstrated and analyzed numerically and experimentally when subjected to various kinds of pressure loads. The controllable shapes of the morphing shells to that thin SMA strip actuator are attached are investigated depending on various phase transformation temperatures. SMA strips start to transform from the martensitic into the austenitic state upon actuation through resistive heating, simultaneously recover the prestrain, and thus cause the shell structures to deform three dimensionally. The behaviors of composite shells attached with SMA strip actuators are analyzed using the finite element methods and 3-D constitutive equations of SMAs. Several morphing composite shell structures are fabricated and their experimental shape changes depending on temperatures are compared to the numerical results. That two results show good correlations indicates the finite element analysis and 3-D constitutive equations are accurate enough to utilize them for the design of smart composite shell structures for various applications.
This study proposes a new smart base isolation system that employs Magneto-Rheological Elastomers (MREs), a class of smart materials whose elastic modulus or stiffness can be varied depending on the magnitude of an applied magnetic field. It also evaluates the dynamic performance of the MRE-based isolation system in reducing vibrations in structures subject to various seismic excitations. As controllable stiffness elements, MREs can increase the dynamic control bandwidth of the isolation system, improving its vibration reduction capability. To study the effectiveness of the MRE-based isolation system, this paper compares its dynamic performance in reducing vibration responses of a base-isolated single-story structure (i.e., 2DOF) with that of a conventional base-isolation system. Moreover, two control algorithms (linear quadratic regulator (LQR)-based control and state-switched control) are considered for regulating the stiffness of MREs. The simulation results show that the MRE-based isolation system outperformed the conventional system in suppressing the maximum base drift, acceleration, and displacement of the structure.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.5
no.4
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pp.429-435
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2007
A number of different alternative actuation methods have been under active development for some specific applications where the traditional electromechanical actuators are difficult to apply. Recently, many of these substitutes are trying to employ new smart materials like electroactive polymers. However most of the polymeric materials are flexible and vulnerable so that they normally can not sustain external forces. Although the materials have shown a good potential to be used for alternative actuation mechanisms, no tangible industrial application is yet presented because of the reason. A conceptual design for a rectilinear motion actuator using dielectric elastomer is presented in this article. The introduced design concept might enable to produce fairly controllable rectilinear motions for various applications and the presented prototype actuator system is fully packaged in a small unit and controlled by a standard communication interface.
Principles and mechanism of energy transduction of dielectric polymer materials are well known from the various smart material related publications. However their introduction to industrial actuator applications is limited mainly due to difficulties guarantee controllability and reliability. Most of the previous publications have elaborates energy transduction physics of chunk of polymer while development of construction methods for feasible actuators made of the material is rarely proposed. In the present article, a conceptual design of multi-DOF linear polymer actuator construction that is to be controllable with moderate level of control work os introduced. In addition, numerical models that are developed with a unified energy based approach are presented not only for basic working mechanism analysis of the polymetric soft actuator but for providing analytical foundation to expend the concept toward design of multi-DOF actuator controls.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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