Due to the shift in paradigm from passive control to adaptive control, smart tuned mass dampers (STMDs) have received considerable attention for vibration control in tall buildings and bridges. STMDs are superior to tuned mass dampers (TMDs) in reducing the response of the primary structure. Unlike TMDs, STMDs are capable of accommodating the changes in primary structure properties, due to damage or deterioration, by tuning in real time based on a local feedback. In this paper, a novel adaptive-length pendulum (ALP) damper is developed and experimentally verified. Length of the pendulum is adjusted in real time using a shape memory alloy (SMA) wire actuator. This can be achieved in two ways i) by changing the amount of current in the SMA wire actuator or ii) by changing the effective length of current carrying SMA wire. Using an instantaneous frequency tracking algorithm, the dominant frequency of the structure can be tracked from a local feedback signal, then the length of pendulum is adjusted to match the dominant frequency. Effectiveness of the proposed ALP-STMD mechanism, combined with the STFT frequency tracking control algorithm, is verified experimentally on a prototype two-storey shear frame. It has been observed through experimental studies that the ALP-STMD absorbs most of the input energy associated in the vicinity of tuned frequency of the pendulum damper. The reduction of storey displacements up to 80 % when subjected to forced excitation (harmonic and chirp-signal) and a faster decay rate during free vibration is observed in the experiments.
The confocal laser scanning microscopy and two-photon microscopy was implemented based on a single laser source and an objective lens. We imaged and compared the morphology of identical sites of ex vivo human skin using both microscopes. The back-scattering emission from the sample provided the contrast for the confocal microscopy. The intrinsic autofluorescence and the second harmonic generation were used as the luminescence source for the two-photon microscopy. The wavelength of the Ti:Sapphire laser was tuned at 710 nm, which corresponds to the excitation peak of NADH and FAD in skin tissue. The various cell layers in the epidermis and the papillary dermis were clearly distinguished by both imaging modalities. The two-photon microscopy more clearly visualized the intercellular region and the nucleus of the cell compared to the confocal microscopy. The fibrous structures in the dermis were more clearly resolved by the confocal microscopy. Numerous cells in papillary dermal layer, as deep as $100\;{\mu}m$, were observed in both CLSM and two-photon microscopy. While most previous studies focused on fibrous structure imaging (collagen and elastin fiber) in the dermis, we demonstrated that the combined imaging with the CLSM and two-photon microscopy can be applied for the non-invasive study of the population, distribution and metabolism of papillary dermal cells in skin.
Lu, Lei;Fermandois, Gaston A.;Lu, Xilin;Spencer, Billie F. Jr.;Duan, Yuan-Feng;Zhou, Ying
Smart Structures and Systems
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v.23
no.6
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pp.589-613
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2019
Cables are prone to vibration due to their low inherent damping characteristics. Recently, negative stiffness dampers have gained attentions, because of their promising energy dissipation ability. The viscous inertial mass damper (termed as VIMD hereinafter) can be viewed as one realization of the inerter. It is formed by paralleling an inertial mass part with a common energy dissipation element (e.g., viscous element) and able to provide pseudo-negative stiffness properties to flexible systems such as cables. A previous study examined the potential of IMD to enhance the damping of stay cables. Because there are already models for common energy dissipation elements, the key to establish a general model for IMD is to propose an analytical model of the rotary mass component. In this paper, the characteristics of the rotary mass and the proposed analytical model have been evaluated by the numerical and experimental tests. First, a series of harmonic tests are conducted to show the performance and properties of the IMD only having the rotary mass. Then, the mechanism of nonlinearities is analyzed, and an analytical model is introduced and validated by comparing with the experimental data. Finally, a real-time hybrid simulation test is conducted with a physical IMD specimen and cable numerical substructure under distributed sinusoidal excitation. The results show that the chosen model of the rotary mass part can provide better estimation on the damper's performance, and it is better to use it to form a general analytical model of IMD. On the other hand, the simplified damper model is accurate for the preliminary simulation of the cable responses.
Kwon, Chang Seop;Lee, Young Jin;Kim, Hyun Joe;Lee, Dong Yeon
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.56
no.2
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pp.103-108
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2019
A new state-of-the-art sloshing research equipment has developed to perform the model test of LNG tanks for the safer design of LNG cargo containment system in violent sloshing phenomena. This sloshing test system has developed by the Samsung Ship Model Basin (SSMB) and thoroughly verified. The accuracy of the motion of hexapods equipment for the excitation of a model tank has been verified. The maximum displacement in six degrees of freedom, harmonic motions of various frequencies, and irregular motions in wave conditions are measured and compared with input signals. In order to confirm the reliability of the post-processing program for measured impact pressure, the post-processed results were compared with those of the reference institute. A benchmarking sloshing test using 1/50 scale model of 160K LNGC tank was conducted for the verification of the whole testing system. The partial filing levels were considered. As a result of the experiment, it is confirmed that the results are in good agreement with those of the reference institute.
Zhang, Xiaoqian;Wang, Qifei;Li, Chengwu;Sun, Xiaoqi;Yan, Zheng;Nie, Yao
Geomechanics and Engineering
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v.19
no.1
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pp.11-20
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2019
The use of electrokinetic dissipation method to study the fluid flow law in micro-pores is of great significance to reservoir rock microfluidics. In this paper, the micro-capillary theory was combined with the coupling model of the seepage field and the current field under the excitation of the harmonic signal, and the coupling theory of the electrokinetic effect under the first-order approximation condition was derived. The dissipation equation of electrokinetic dissipation and viscous resistance dissipation and its solution were established by using Green's function method. The physical and mathematical models for the electrokinetic dissipation of reservoir rocks were constructed. The microscopic mechanism of the electrokinetic dissipation of reservoir rock were theoretically clarified. The influencing factors of the electrokinetic dissipation frequency of the reservoir rock were analyzed quantitatively. The results show that the electrokinetic effect transforms the fluid flow profile in the pores of the reservoir from parabolic to wavy; under low-frequency conditions, the apparent viscosity coefficient is greater that one and is basically unchanged. The apparent viscosity coefficient gradually approaches 1 as the frequency increases further. The viscous resistance dissipation is two orders of magnitude higher than the electrokinetic effect dissipation. When the concentration of the electrolyte exceeds 0.1mol/L, the electrokinetic dissipation can be neglected, while for the electrolyte solution (<$10^{-2}M$) in low concentration, the electrokinetic dissipation is very significant and cannot be ignored.
Conventional Piezoelectric Energy Harvesters (CPEH) have been extensively studied for maximizing their electrical output through material selection, geometric and structural optimization, and adoption of efficient interface circuits. In this paper, the performance of Stepped Piezoelectric Energy Harvester (SPEH) under harmonic base excitation is studied analytically, numerically and experimentally. The motivation is to compare the energy harvesting performance of CPEH and SPEHs with the same characteristics (resonant frequency). The results of this study challenge the notion of achieving higher voltage and power output through incorporation of geometric discontinuities such as step sections in the harvester beams. A CPEH consists of substrate material with a patch of piezoelectric material bonded over it and a tip mass at the free end to tune the resonant frequency. A SPEH is designed by introducing a step section near the root of substrate beam to induce higher dynamic strain for maximizing the electrical output. The incorporation of step section reduces the stiffness and consequently, a lower tip mass is used with SPEH to match the resonant frequency to that of CPEH. Moreover, the electromechanical coupling coefficient, forcing function and damping are significantly influenced because of the inclusion of step section, which consequently affects harvester's output. Three different configurations of SPEHs characterized by the same resonant frequency as that of CPEH are designed and analyzed using linear electromechanical model and their performances are compared. The variation of strain on the harvester beams is obtained using finite element analysis. The prototypes of CPEH and SPEHs are fabricated and experimentally tested. It is shown that the power output from SPEHs is lower than the CPEH. When the prototypes with resonant frequencies in the range of 56-56.5 Hz are tested at 1 m/s2, three SPEHs generate power output of 482 μW, 424 μW and 228 μW when compared with 674 μW from CPEH. It is concluded that the advantage of increasing dynamic strain using step section is negated by increase in damping and decrease in forcing function. However, SPEHs show slightly better performance in terms of specific power and thus making them suitable for practical scenarios where the ratio of power to system mass is critical.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.491-500
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2020
The present study proposes a time domain model for the Vortex-induced Vibration (VIV) simulation of a catenary riser under the combination of the current and oscillatory flow induced by vessel motion. In this model, the hydrodynamic force of VIV comprises excitation force, hydrodynamic damping and added mass, which are taken as functions of the non-dimensional frequency and amplitude ratio. The non-dimensional frequency is related with the response frequency, natural frequency, lock-in range and the fluid velocity. The relatively oscillatory flow induced by vessel motion is taken into account in the fluid velocity. Considering that the added mass coefficient and the non-dimensional frequency can affect each other, an iterative analysis is conducted at each time step to update the added mass coefficient and the natural frequency. This model is in detail validated against the published test models. The results show that the model can reasonably reflect the effect of the added mass coefficient on the VIV, and can well predict the riser's VIV under stationary and oscillatory flow induced by vessel motion. Based on the model, this study carries out the VIV simulation of a catenary riser with harmonic vessel motion. By analyzing the bending moment near the touchdown point, it is found that under the combination of the ocean current and oscillatory flow the vessel motion may decrease the VIV response, while increase the excited frequencies. In addition, the decreasing rate of the VIV under vessel surge is larger than that under vessel heave at small vessel motion velocity, while the situation becomes opposite at large vessel motion velocity.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.26
no.3
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pp.21-28
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2022
The TMD has a simple structure than other vibration control devices and shows excellent control performance for the simple harmonic vibration generated in the structure. However, the vibration control range is narrower than other control devices, making it vulnerable to vibration cycles caused by unexpected external loads. The ETMD developed in this study consisted of Mass with electromagnets. Therefore when supplying a current, the magnetic field is formed to increase the friction force with the friction plate, thereby instantaneously controlling the behavior of the Mass. The experiment was conducted to compare the control performance of the control device by installing the ETMD developed for control performance evaluation in the center of the model simple beam bridge to forced excitation at 3.02 Hz where the maximum bending displacement occurs. As a result of the experiment, ETMD exhibited excellent control performance with a maximum bending displacement attenuation rate of 57.51%.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.5
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pp.1054-1065
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1993
A computer simulation is performed on the effectiveness of the active minimization of harmonically excited enclosed sound fields for producing global reduction in the amplitude of the pressure fluctuations. In this study for the appreciable reductions in total time averaged acoustic potential energy, $E_{pp}$, the transducer location strategies for three dimensional active noise control is presented based on a state space modal which approximates the closed acoustic field.In this study, the above theoretical basis is used to investigate the application of active control to sound fields of low modal density. By the used of room-like 3-dimensional rectangular enclosure it is demonstrated that the reductions in $E_{pp}$ can be achieved by using a single secondary source, provided that the source is placed within the half a wavelength from the primary source and placed away from nodal line of the sound field. Concerning the reductions in $E_{pp}$ by minimzing the pressure in sound fields by the use of 3-dimensional rectangular enclosure, the effects of the number of sensors and the locations of these sensors are investigated. When a few modes dominate the response it is found that if only a limited number of sensors are located away from nodal line and located at the pressure maxima of the sound field such as at each corner of a rectangular enclosure.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.25
no.5
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pp.321-328
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2015
In recent years, there has been an increasing demand to apply the new IACS(International Association of Classification Societies) standards for ice and polar-classed ships. For ice-class vessel propulsion system, the ice impact torque design criterion is defined as a periodic harmonic function in relation to the number of the propeller blades. However, irregular or transient ice impact torque is assumed to occur likely in actual circumstances rather than these periodic loadings. In this paper, the reliability and torsional vibration characteristics of a comparatively large six-cylinder marine diesel engine for propulsion shafting system was examined and reviewed in accordance with current regulations. In this particular, the transient ice impact torque and excessive vibratory torque originating from diesel engine were interpreted and the resonant points identified through theoretical analysis. Several floating ice impacts were carried out to evaluate torque responses using the calculation method of classification rule requirement. The Newmark method was used for the transient response analysis of the whole system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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