This paper presents an optimum design of a rotor-bearing spindle system for a ultra centrifuge (80,000 RPM) supported by ball bearings with nonlinear stiffness characteristics. To obtain the nonlinear bearing stiffnesses, a ball bearing is modeled in five degrees of freedom and is analyzed quasi-statically. The dynamic behaviors of the nonlinear rotor-bearing system are analyzed by using a transfer-matrix method iteratively. For optimization. we use the cost function that simultaneously minimizes the weight of a rotor and maximizes the separation margins to yield the critical speeds as far from the operating speed as possible. Augmented Lagrange Multiplier (ALM) method is employed for the nonlinear optimization problem. The result shows that the rotor-bearing spindle system is optimized to obtain 9.5% weight reduction and 21% separation margin.
Compliance elements such as bushings of a suspension system play a crucial role in determining the ride and handling characteristics of the vehicle. In this paper, a general procedure is proposed for the optimum design of compliance elements to meet various design targets. Based on the assumption that the displacements of elastokinematic behavior of a suspension system under external forces are very small, linearized elastokinematic equations in terms of infinitesimal displacements and joint reaction forces are derived. Directly differentiating the linear elastokinematic equations with respect to design variables associated with bushing stiffness, sensitivity equations are obtained. The design process for determining the bushing stiffness using sensitivity analysis and optimization technique is demonstrated.
Though the technology on the ultra-precise machining has been developed intensively, the high speed and high precision for large machining range is still very hard to achieve. The linear motor system fur the universal machining center is proper fur high speed and high precision, but it has drawback of sensitivity to disturbance. In this research, two degrees of freedom controller based on the zero phase error tracking controller (ZPETC) and disturbance observer are proposed to improve the tracking performance and dynamic stiffness of linear motor system. The proposed controller is verified in simulations and experiments on a nano-positioner system, and the experimental result shows that the tracking performance improved. In addition, the PID optimization method is proposed for the commercialized controller such as the PMAC based system. The tracking as well as impedance is included in the cost function of optimization.
Active surface adjustment of cable net structures is becoming significant when large-size cable net structures are widely applied in various fields, especially in satellite antennas. A general-duty adjustment method based on active cables is proposed to achieve active surface adjustment or surface profile reconfiguration of cable net structures. Piezoelectric actuators and voice coil actuators are selected for constructing active cable structures and their simplified mechanical models are proposed. A bilevel optimization model of active surface adjustment is proposed based on the nonlinear static model established by the direct stiffness method. A pattern search algorithm combined with the trust region method is developed to solve this optimization problem. Numerical examples of a parabolic cable net reflector are analyzed and different distribution types of active cables are compared.
Optimal topology design is to search the optimal configuration of a structure which can be used as a shape at the conceptual design stage. Our objective is to maximize the stiffness of the structures and ribs under a material usage constraintl. The density of each finite element is the design variable and its relationship with Young's modulus is expressed by quadratic form. The configuration is represented by the entire density distribution, the structural analysis is performed by finite element method and the optimiza- tion is performed by Feasible Direction Method. Feasible Direction Method can handle various problems simultaneously, that is, mult-objectives and multi-constraints. Total computation time can be reduced by the quadratic relationship between the density and the material property and fewer design variables than Homogenization Method. Toplogy optimization technique developed in this research is applied to design the shapes of the ribs.
During bolted flange assembly, the contact stiffness of some areas of the joint surface may be low due to the elastic interaction. In order to improve the contact stiffness at the lowest position of bolted flange, the correlation model between the initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange is established in this paper. According to the stress distribution model of a single bolt, an assumption of uniform local contact stiffness of bolted flange is made. Moreover, the joint surface is divided into the compressive stress region and the elastic interaction region. Based on the fractal contact theory, the relationship model of contact stiffness and contact force of the joint surface is proposed. Considering the elastic interaction coefficient method, the correlation model of the initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange is established. This model can be employed to reverse determine the tightening strategy of the bolt group according to working conditions. As a result, this provides a new idea for the digital design of tightening strategy of bolt group for contact stiffness of bolted flange. The tightening strategy of the bolted flange is optimized by using the correlation model of initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange. After optimization, the average contact stiffness of the joint surface increased by 5%, and the minimum contact stiffness increased by 6%.
This study presents conceptual information of newly optimized shapes and connectivity of the so-called outrigger truss system for modern tall buildings that resists lateral loads induced by wind and earthquake forces. In practice, the outrigger truss consists of triangular or Vierendeel types to stiffen tall buildings, and the decision of outrigger design has been qualitatively achieved by only engineers' experience and intuition, including information of structural behaviors, although outrigger shapes and the member's connectivity absolutely affect building stiffness, the input of material, construction ability and so on. Therefore the design of outrigger trusses needs to be measured and determined according to scientific proofs like reliable optimal design tools. In this study, at first the shape and connectivity of an outrigger truss system are visually evaluated by using a conceptual design tool of the classical topology optimization method, and then are quantitatively investigated with respect to a structural safety as stiffness, an economical aspect as material quantity, and construction characteristics as the number of member connection. Numerical applications are studied to verify the effectiveness of the proposed design process to generate a new shape and connectivity of the outrigger for both static and dynamic responses.
A novel finite element (FE) model updating method based on multi-resolution analysis (MRA) is proposed. The true stiffness of the FE model is considered as the superposition of two pieces of stiffness information of different resolutions: the pre-defined stiffness information and updating stiffness information. While the resolution of former is solely decided by the meshing density of the FE model, the resolution of latter is decided by the limited information obtained from the experiment. The latter resolution is considerably lower than the former. Second generation wavelet is adopted to describe the updating stiffness information in the framework of MRA. This updating stiffness in MRA is realized at low level of resolution, therefore, needs less number of updating parameters. The efficiency of the optimization process is thus enhanced. The proposed method is suitable for the identification of multiple irregular cracks and performs well in capturing the global features of the structural damage. After the global features are identified, a refinement process proposed in the paper can be carried out to improve the performance of the MRA of the updating information. The effectiveness of the method is verified by numerical simulations of a box girder and the experiment of a three-span continues pre-stressed concrete bridge. It is shown that the proposed method corresponds well to the global features of the structural damage and is stable against the perturbation of modal parameters and small variations of the damage.
Bellows is a component in piping systems which absorbs mechanical deformation with flexibility. Its geometry is an axial symmetric shell which consists of two toroidal shells and one annular plate or conical shell. In order to analyze bellows, this study presents the finite element analysis using a conical frustum shell element. A finite element analysis is developed to analyze various bellows. The validity of the developed program is verified by the experimental results for axial and lateral stiffness. The formula for calculating the natural frequency of bellows is made by the simple beam theory. The formula for fatigue life is also derived by experiments. The shape optimal design problem is formulated using multiple objective optimization. The multiple objective functions are transformed to a scalar function by weighting factors. The stiffness, strength and specified stiffness are considered as the multiple objective function. The formulation has inequality constraints imposed on the fatigue limit, the natural frequencies, and the manufacturing conditions. Geometric parameters of bellows are the design variables. The recursive quadratic programming algorithm is selected to solve the problem. The results are compared to existing bellows, and the characteristics of bellows is investigated through optimal design process. The optimized shape of bellows is expected to give quite a good guideline to practical design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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