In order to improve the fuel economy and dynamic behavior of automobiles, the weight reduction tendency of automobile parts is obvious. Also, in order to maximize assembly and maintenance convenience, various parts are integrated and modularized. Multi-piece methods require many manufacturing processes and become a factor of lowering the strength of parts. It is advantageous to overcome the disadvantages by integrally manufacturing to reduce the processing steps and ensure the strength of the parts. However, when it is necessary to process in a narrow space inside the part, it is impossible to process with the existing spindle. The angle head spindle is only a component of a machine tool, but it is a core part that requires high technology and is highly utilizable in products requiring high precision machining. Therefore, various and continuous studies needs for angle head spindles in areas such as vibration absorption, operational safety, excellent dimensional stability, and strength. In this paper, we propose an optimal design for angle head spindle by performing structural analysis and shape optimization for angle head spindle gear and case.
This paper reports a simulation-based design method for the optimized arrangement design of buoyancy modules in a marine riser system. A buoyancy module is used for the safe operation and structural stability of the riser. Engineers design buoyancy modules based on experience and experimental data. However, they are difficult to design because of the difficulty of conducting real sea experiments and quantifying the data. Therefore, a simulation-based design method is needed to tackle this problem. In this study, we developed a simulation-based design algorithm using a multi-body dynamic simulation and genetic algorithm to perform optimization arrangement design of a buoyancy module. The design results are discussed in this paper.
A seismic evaluation is made of the response to horizontal ground shaking of cantilever retaining walls using the finite element model in three dimensional space whose verification is provided analytically through the modal analysis technique in case of the assumptions of fixed base, complete bonding behavior at the wall-soil interface, and elastic behavior of soil. Thanks to the versatility of the finite element model, the retained medium is then idealized as a uniform, elastoplastic stratum of constant thickness and semi-infinite extent in the horizontal direction considering debonding behavior at the interface in order to perform comprehensive soil-structure interaction (SSI) analyses. The parameters varied include the flexibility of the wall, the properties of the soil medium, and the characteristics of the ground motion. Two different finite element models corresponding with flexible and rigid wall configurations are studied for six different soil types under the effects of two different ground motions. The response quantities examined incorporate the lateral displacements of the wall relative to the moving base and the stresses in the wall in all directions. The results show that the wall flexibility and soil properties have a major effect on seismic behavior of cantilever retaining walls and should be considered in design criteria of cantilever walls. Furthermore, the results of the numerical investigations are expected to be useful for the better understanding and the optimization of seismic design of this particular type of retaining structure.
Rezaei, Mohammad Javad;Gerdooei, Mahdi;Nosrati, Hasan Ghaforian
Structural Engineering and Mechanics
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제74권6호
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pp.737-745
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2020
Nowadays, composite plates are widely used as high-strength structures to fabricate a dynamic loading-resistant armours. In this study, the shock load is applied by an explosion of spherical TNT charge at a specified distance from the circular composite plate. The composite plate contains a two-layer ceramic-metal armour and a poly-methyl methacrylate (PMMA) target layer. The dynamic behavior of the composite armour has been investigated by measuring the transferred effective stress and maximum deflection into the target layer. For this purpose, the simulation of the blast loading upon the composite structure was performed by using the load-blast enhanced (LBE) procedure in Ls-Dyna software. The effect of main process parameters such as the thickness of layers, and scaled distance has been examined on the specific stiffness of the structure using response surface method. After validating the results by comparing with the experimental results, the optimal values for these parameters along with the regression equations for transferred effective stress and displacement to the target have been obtained. Finally, the optimal values of input parameters have been specified to achieve minimum transferred stress and displacement, simultaneously with reducing the weight of the structure.
In this study we have developed an anthropomorphic robot hand and arm by using tendon-tubes which can be used for people's everyday life as a robot's dynamic power transmission device. Most previous robot hands or arms had critical problem on dynamic optimization due to heavy weight of power transmission parts which placed on robot's finger area or arm area. In order to resolve this problem we designed light-weighted robot hand and arm by using tendon-tubes which were consisted of many articulations and links just like human's hand and arm. The most prominent property of this robot hand and arm is reduction of the weight of robot's power transmission part. Reduction of weight of robot's power transmission parts will allow us to develop energy saving and past moving robot hands and arms which can be used for artificial arms. As a first step for real development in this study we showed structural design and demonstration of simulation of possibility of a robot hand and arm by tendon-tube. In the future research we are planning to verify practicality of the robot hand and arm by applying sensing and controlling method to a specimen.
Vertical earthquake ground motion may magnify vertical dynamic responses of structures, and thus cause serious damage to bridges. As main support structures, piers and bearings play an important role in vertical seismic response analysis of girder bridges. In this study, the pier and bearing are simplified as a vertical series spring system without mass. Then, based on the assumption of small displacement, the equation of motion governing the simply-supported straight girder bridge under vertical ground motion is established including effects of vertical deformation of support structures. Considering boundary conditions, the differential quadrature method (DQM) is applied to discretize the above equation of motion into a MDOF (multi-degree-of-freedom) system. Then seismic responses of this MDOF system are calculated by a step-by-step integration method. Effects of support structures on vertical dynamic responses of girder bridges are studied under different vertical strong earthquake motions. Results indicate that support structures may remarkably increase or decrease vertical seismic responses of girder bridges. So it is of great importance to consider effects of support structures in structural seismic design of girder bridges in near-fault region. Finally, optimization of support structures to resist vertical strong earthquake motions is discussed.
In piezoelectric flexible structures, the contribution of vibration modes to the dynamic response of system may change with the location of piezoelectric actuator patches, which means that the ability of actuators to control vibration modes should be taken into account in the development of modal reduction model. The spatial $H_2$ norm of modes, which serves as a measure of the intensity of modes to system dynamical response, is used to pick up the modes included in the reduction model. Based on the reduction model, the paper develops the state-space representation for uncertain flexible tructures with piezoelectric material as non-collocated actuators/sensors in the modal space, taking into account uncertainties due to modal parameters variation and unmodeled residual modes. In order to suppress the vibration of the structure, a dynamic output feedback control law is designed by imultaneously considering the conflicting performance specifications, such as robust stability, transient response requirement, disturbance rejection, actuator saturation constraints. Based on linear matrix inequality, the vibration control design is converted into a linear convex optimization problem. The simulation results show how the influence of vibration modes on the dynamical response of structure varies with the location of piezoelectric actuators, why the uncertainties should be considered in the reductiom model to avoid exciting high-frequency modes in the non-collcated vibration control, and the possiblity that the conflicting performance specifications are dealt with simultaneously.
The multiparameter eigenvalue method can be used to solve the damped finite element model updating problems. This method transforms the original problems into multiparameter eigenvalue problems. Comparing with the numerical methods based on various optimization methods, a big advantage of this method is that it can provide all possible choices of physical parameters. However, when solving the transformed singular multiparameter eigenvalue problem, the proposed method based on the generalised inverse of a singular matrix has some computational challenges and may fail. In this paper, more details on the transformation from the dynamic model updating problem to the multiparameter eigenvalue problem are presented and the structure of the transformed problem is also exposed. Based on this structure, the rigorous mathematical deduction gives the upper bound of the number of possible choices of the physical parameters, which confirms the singularity of the transformed multiparameter eigenvalue problem. More importantly, we present a row and column compression method to overcome the defect of the proposed numerical method based on the generalised inverse of a singular matrix. Also, two numerical experiments are presented to validate the feasibility and effectiveness of our method.
Muhammad Zaid Zainuddin;Moo-Hyun Kim;Chungkuk Jin;Shankar Bhat
Ocean Systems Engineering
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제13권4호
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pp.401-421
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2023
Reducing hawser line tensions and dynamic responses to a certain level is of paramount importance as the hawser lines provide important structural linkage between 2 body TLP-TAD system. The objective of this paper is to demonstrate how MR Damper can be utilized to achieve this. Hydrodynamic coefficients and wave forces for two bodies including second-order effects are obtained by 3D diffraction/radiation panel program by potential theory. Then, multi-hull-riser-mooring-hawser fully-coupled time-domain dynamic simulation program is applied to solve the complex two-body system's dynamics with the Magneto-Rheological (MR) Damper modeled on one end of hawser. Since the damping level of MR Damper can be changed by inputting different electric currents, various simulations are conducted for various electric currents. The results show the reductions in maximum hawser tensions with MR Damper even for passive control cases. The results also show that the hawser tensions and MR Damper strokes are affected not only by input electric currents but also by initial mooring design. Further optimization of hawser design with MR Damper can be done by active MR-Damper control with changing electric currents, which is the subject of the next study.
Ahmad M. Baiomy;M. Kassab;B.M. El-Sehily;R.M. El-Kady
Advances in aircraft and spacecraft science
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제10권3호
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pp.223-243
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2023
There is a burgeoning demand for minimizing the mass of satellites because of its direct impact on reducing launch-to-orbit cost. This must be done without compromising the structure's efficiency. The present paper introduces a relatively low-cost and easily implementable approach for optimizing structural mass to a maximum natural frequency. The natural frequencies of the satellite are of utmost pertinence to the application requirements, as the sensitive electronic instrumentation and onboard computers should not be affected by the vibrations of the satellite structure. This methodology is applied to a realistic model of Al-Azhar University micro-satellite in partnership with the Egyptian Space Agency. The procedure used in structural design can be summarized in two steps. The first step is to select the most favorable primary structural configuration among several different candidate variants. The nominated variant is selected as the one scoring maximum relative dynamic stiffness. The second step is to use perforation patterns reduce the overall mass of structural elements in the selected variant without changing the weight. The results of the presented procedure demonstrate that the mass reduction percentage was found to be 39% when compared to the unperforated configuration that had the same plate thickness. The findings of this study challenge the commonly accepted notion that isogrid perforations are the most effective means of achieving the goal of reducing mass while maintaining stiffness. Rather, the study highlights the potential benefits of exploring a wider range of perforation unit cells during the design process. The study revealed that rectangular perforation patterns had the lowest efficiency in terms of modal stiffness, while triangular patterns resulted in the highest efficiency. These results suggest that there may be significant gains to be made by considering a broader range of perforation shapes and configurations in the design of lightweight structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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