Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.20
no.4
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pp.397-404
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2010
The use of equivalent circuit models of piezoelectric energy harvesters is inevitable when power circuitry including rectifying and smoothing circuit elements is connected to them for evaluating DC electrical outputs. This is because it is difficult to incorporate the electro-mechanical coupling resulting from the additional circuitry into the conventional finite element analysis. Motivated by this observation, we propose a method to accurately extract the equivalent circuit parameters by using commercially available FEM software such as ANSYS which provides three-dimensional AC piezoelectric analysis. Then the equivalent circuit can be analyzed by circuit simulators such as $SimPowerSystems^{TM}$ of MATLAB. While the previous works have estimated the circuit parameters by experimental measurements or by analytical solutions developed only for limited geometries and boundary conditions, the proposed method has no such limitation because piezoelectric energy harvesters of any shapes and boundary conditions can be treated in FEM software. For the verification of the proposed method, multi-modal AC electrical power output by using a corresponding equivalent circuit is compared with that by ANSYS. The proposed method is then shown to be very useful in the subsequent evaluation of DC electrical output which is obtained by attaching a bridge diode and a storage capacitor to a piezoelectric energy harvester.
Mehboob, Saqib;Khan, Qaiser Uz Zaman;Ahmad, Sohaib;Anwar, Syed M.
Earthquakes and Structures
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v.22
no.2
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pp.185-201
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2022
Structural Health Monitoring (SHM) is used to provide reliable information about the structure's integrity in near realtime following extreme incidents such as earthquakes, considering the inevitable aging and degradation that occurs in operating environments. This paper experimentally investigates an integrated wireless sensor network (Wi-SN) based monitoring technique for damage detection in concrete structures. An effective SHM technique can be used to detect potential structural damage based on post-earthquake data. Two novel methods are proposed for damage detection in reinforced concrete (RC) building structures including: (i) Jerk Energy Method (JEM), which is based on time-domain analysis, and (ii) Modal Contributing Parameter (MCP), which is based on frequency-domain analysis. Wireless accelerometer sensors are installed at each story level to monitor the dynamic responses from the building structure. Prior knowledge of the initial state (immediately after construction) of the structure is not required in these methods. Proposed methods only use responses recorded during ambient vibration state (i.e., operational state) to estimate the damage index. Herein, the experimental studies serve as an illustration of the procedures. In particular, (i) a 3-story shear-type steel frame model is analyzed for several damage scenarios and (ii) 2-story RC scaled down (at 1/6th) building models, simulated and verified under experimental tests on a shaking table. As a result, in addition to the usual benefits like system adaptability, and cost-effectiveness, the proposed sensing system does not require a cluster of sensors. The spatial information in the real-time recorded data is used in global damage identification stage of SHM. Whereas in next stage of SHM, the damage is detected at the story level. Experimental results also show the efficiency and superior performance of the proposed measuring techniques.
Damping ratio and frequency have influence on dynamic serviceability or instability such as vortex-induced vibration and displacement amplification due to earthquake and critical flutter velocity, and it is thus important to make determination of damping ratio and frequency accurate. As bridges are getting longer, small scale model test considering similitude law must be conducted to evaluate damping ratio and frequency. Analysis conditions modified by similitude law are applied to experimental test considering different scale ratios. Generally, Nyquist frequency condition based on natural frequency modified by similitude law has been used to determine sampling rate for different scale ratios, and total time length has been determined by users arbitrarily or by considering similitude law with respect to time for different scale ratios. However, Nyquist frequency condition is not suitable for multimode system with noisy signals. In addition, there is no specified criteria for determination of total time length. Those analysis conditions severely affect accuracy of damping ratio. The focus of this study is made on the determination of minimum analysis conditions for different scale ratios. Influence of signal to noise ratio is studied according to the level of noise level. Free initial value problem is proposed to resolve the condition that is difficult to know original initial value for free vibration. Ambient and free vibration tests were used to analyze the dynamic properties of a system using data collected from tests with a two degree-of-freedom section model and performed on full bridge 3D models of cable stayed bridges. The free decay is estimated with the stochastic subspace identification method that uses displacement data to measure damping ratios under noisy conditions, and the iterative least squares method that adopts low pass filtering and fourth order central differencing. Reasonable results were yielded in numerical and experimental tests.
Numerical simulation of the non-linear behavior of (RC) structural walls subjected to severe earthquake ground motions requires a reliable modeling approach that includes important material characteristics and behavioral response features. The objective of this paper is to optimize a simplified method for the assessment of the seismic response and damage development analyses of an RC structural wall building using macro-element model. The first stage of this study investigates effectiveness and ability of the macro-element model in predicting the flexural nonlinear response of the specimen based on previous experimental test results conducted in UCLA. The sensitivity of the predicted wall responses to changes in model parameters is also assessed. The macro-element model is next used to examine the dynamic behavior of the structural wall building-all the way from elastic behavior to global instability, by applying an approximate Incremental Dynamic Analysis (IDA), based on Uncoupled Modal Response History Analysis (UMRHA), setting up nonlinear single degree of freedom systems. Finally, the identification of the global stiffness decrease as a function of a damage variable is carried out by means of this simplified methodology. Responses are compared at various locations on the structural wall by conducting static and dynamic pushover analyses for accurate estimation of seismic performance of the structure using macro-element model. Results obtained with the numerical model for rectangular wall cross sections compare favorably with experimental responses for flexural capacity, stiffness, and deformability. Overall, the model is qualified for safety assessment and design of earthquake resistant structures with structural walls.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.6
s.52
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pp.19-28
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2006
Most conventional model updating methods must use mathematical objective function with experimental modal matrices and analytical system matrices or must use information about the gradient or higher derivatives of modal properties with respect to each updating parameter. Therefore, most conventional methods are not appropriate for complex structural system such as bridge structures due to stability problem in inverse analysis with ill-conditions. Sometimes, moreover, the updated model may have no physical meaning. In this paper, a new FE model updating method based on a hybrid optimization technique using genetic algorithm (GA) and Holder-Mead simplex method (NMS) is proposed. The performance of hybrid optimization technique on the nonlinear problem is demonstrated by the Goldstein-Price function with three local minima and one global minimum. The influence of the objective function is evaluated by the case study of a simulated 10-dof spring-mass model. Through simulated case studies, finally, the objective function is proposed to update mass as well as stiffness at the same time. And so, the proposed hybrid optimization technique is proved to be an efficient method for FE model updating.
Recently, many structural damage detection (SDD) methods have been proposed to monitor the safety of structures. As an important modal parameter, mode shape has been widely used in SDD, and the difference of vectors was adopted based on sensitivity analysis and mode shapes in the existing studies. However, amplitudes of mode shapes in different measured points are relative values. Therefore, the difference of mode shapes will be influenced by their amplitudes, and the SDD results may be inaccurate. Focus on this deficiency, a multi-strategy SDD method is proposed based on the included angle of vectors and sparse regularization in this study. Firstly, inspired by modal assurance criterion (MAC), a relationship between mode shapes and changes in damage coefficients is established based on the included angle of vectors. Then, frequencies are introduced for multi-strategy SDD by a weighted coefficient. Meanwhile, sparse regularization is applied to improve the ill-posedness of the SDD problem. As a result, a novel convex optimization problem is proposed for effective SDD. To evaluate the effectiveness of the proposed method, numerical simulations in a planar truss and experimental studies in a six-story aluminum alloy frame in laboratory are conducted. The identified results indicate that the proposed method can effectively reduce the influence of noises, and it has good ability in locating structural damages and quantifying damage degrees.
Virtual human used as HCI in digital contents expresses his various emotions across modalities like facial expression and body posture. However, few studies considered combinations of such nonverbal multimodal in emotion perception. Computational engine models have to consider how a combination of nonverbal modal like facial expression and body posture will be perceived by users to implement emotional virtual human, This paper proposes the impacts of nonverbal multimodal in design of emotion expressed virtual human. First, the relative impacts are analysed between different modals by exploring emotion recognition of modalities for virtual human. Then, experiment evaluates the contribution of the facial and postural congruent expressions to recognize basic emotion categories, as well as the valence and activation dimensions. Measurements are carried out to the impact of incongruent expressions of multimodal on the recognition of superposed emotions which are known to be frequent in everyday life. Experimental results show that the congruence of facial and postural expression of virtual human facilitates perception of emotion categories and categorical recognition is influenced by the facial expression modality, furthermore, postural modality are preferred to establish a judgement about level of activation dimension. These results will be used to implementation of animation engine system and behavior syncronization for emotion expressed virtual human.
Wang, Zhi Hao;Xu, Yan Wei;Gao, Hui;Chen, Zheng Qing;Xu, Kai;Zhao, Shun Bo
Smart Structures and Systems
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v.23
no.6
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pp.627-639
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2019
Passive control may not provide enough damping for a stay cable since the control devices are often restricted to a low location level. In order to enhance control performance of conventional passive dampers, a new type of damper integrated with a rotary electromagnetic damper providing variable damping force and a flywheel serving as an inertial mass, called the rotary electromagnetic inertial mass damper (REIMD), is presented for suppressing the cable vibrations in this paper. The mechanical model of the REIMD is theoretically derived according to generation mechanisms of the damping force and the inertial force, and further validated by performance tests. General dynamic characteristics of an idealized taut cable with a REIMD installed close to the cable end are theoretically investigated, and parametric analysis are then conducted to investigate the effects of inertial mass and damping coefficient on vibration control performance. Finally, vibration control tests on a scaled cable model with a REIMD are performed to further verify mitigation performance through the first two modal additional damping ratios of the cable. Both the theoretical and experimental results show that control performance of the cable with the REIMD are much better than those of conventional passive viscous dampers, which mainly attributes to the increment of the damper displacement due to the inertial mass induced negative stiffness effects of the REIMD. Moreover, it is concluded that both inertial mass and damping coefficient of an optimum REIMD will decrease with the increase of the mode order of the cable, and oversize inertial mass may lead to negative effect on the control performance.
An electronic beam mis-landing phenomenon on the RGB (red/green/blue) -fluorescent surface has been considered as one of serious problems to be solved in cathode-ray tube (CRT), which is generally caused by mechanical shock and vibration. In this work, structural design concepts on the major parts of the CRT, such as a frame, a shadow mask, and a spring, are studied to improve the mechanical shockproof character of a CRT by FEM-analyses and experimental approaches ; a frame is newly designed to have strength employing the double-corner-beads which reduces considerably the distortion of the frame and the shadow mask : the edge-bead of a shadow-mask is redesigned to maintain the wide curved surface of a shadow-mask after mechanical shock : finally, a spring supporting the frame and the shadow-mask is designed to have enough flexibility along drop-direction. As an example, a conventional type of a 15inch CRT was utilized to demonstrate the feasibility and usefulness of this work. Overall, some favorable information on the structural design of the CRT is achieved, and the mechanical shockproof character of a 15-inch CRT is improved in the degree of 3G $(1G=9.81m/s^2)$ as an average-value.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.10a
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pp.258-263
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2009
This paper describes an analysis of the stability and performance of a large-capacity flywheel energy storage system (FESS) supported by active magnetic bearings. We designed and manufactured the system that can store up to 5kWh of usable energy at the maximum speed of 18,000 rpm. In order to analyze the stability of the systems accurately, we derived a rigid body rotor model, flexible rotor model using finite-element method, and a reduced-order model using modal truncation. The rotor model is combined with those of active magnetic bearings, amplifiers, and position sensors, resulting in a system simulation model. This simulation model is validated against experimental measurements. The stability of the system is checked from the pole locations of the closed-loop transfer functions. We also investigated the sensitivity function to quantify the robustness of the systems to the disturbances such as mass imbalance and sensor noises.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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