Rahman, Munsur;Cil, Akin;Johnson, Michael;Lu, Yunkai;Guess, Trent M.
Advances in biomechanics and applications
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v.1
no.3
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pp.169-185
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2014
Computational multibody models of the elbow can provide a versatile tool to study joint mechanics, cartilage loading, ligament function and the effects of joint trauma and orthopaedic repair. An efficiently developed computational model can assist surgeons and other investigators in the design and evaluation of treatments for elbow injuries, and contribute to improvements in patient care. The purpose of this study was to develop an anatomically correct elbow joint model and validate the model against experimental data. The elbow model was constrained by multiple bundles of non-linear ligaments, three-dimensional deformable contacts between articulating geometries, and applied external loads. The developed anatomical computational models of the joint can then be incorporated into neuro-musculoskeletal models within a multibody framework. In the approach presented here, volume images of two cadaver elbows were generated by computed tomography (CT) and one elbow by magnetic resonance imaging (MRI) to construct the three-dimensional bone geometries for the model. The ligaments and triceps tendon were represented with non-linear spring-damper elements as a function of stiffness, ligament length and ligament zero-load length. Articular cartilage was represented as uniform thickness solids that allowed prediction of compliant contact forces. As a final step, the subject specific model was validated by comparing predicted kinematics and triceps tendon forces to experimentally obtained data of the identically loaded cadaver elbow. The maximum root mean square (RMS) error between the predicted and measured kinematics during the complete testing cycle was 4.9 mm medial-lateral translational of the radius relative to the humerus (for Specimen 2 in this study) and 5.30 internal-external rotation of the radius relative to the humerus (for Specimen 3 in this study). The maximum RMS error for triceps tendon force was 7.6 N (for Specimen 3).
This paper presents function approximation based on nonparametric estimation. As an estimation model of function approximation, a three layered network composed of input, hidden and output layers is considered. The input and output layers have linear activation units while the hidden layer has nonlinear activation units or kernel functions which have the characteristics of bounds and locality. Using this type of network, a many-to-one function is synthesized over the domain of the input space by a number of kernel functions. In this network, we have to estimate the necessary number of kernel functions as well as the parameters associated with kernel functions. For this purpose, a new method of parameter estimation in which linear learning rule is applied between hidden and output layers while nonlinear (piecewise-linear) learning rule is applied between input and hidden layers, is considered. The linear learning rule updates the output weights between hidden and output layers based on the Linear Minimization of Mean Square Error (LMMSE) sense in the space of kernel functions while the nonlinear learning rule updates the parameters of kernel functions based on the gradient of the actual output of network with respect to the parameters (especially, the shape) of kernel functions. This approach of parameter adaptation provides near optimal values of the parameters associated with kernel functions in the sense of minimizing mean square error. As a result, the suggested nonparametric estimation provides an efficient way of function approximation from the view point of the number of kernel functions as well as learning speed.
The modified sinusoidal pulse-width modulation (SPWM) is one of the PWM techniques used in three-phase AC-DC buck converters. The modified SPWM works without the current sensor (the converter is current sensorless), improves production of sinusoidal AC current, enables obtainment of near-unity power factor, and controls output voltage through modulation gain (ranging from 0 to 1). The main problem of the modified SPWM is the huge starting current and voltage (during transient) that results from a large step change from the reference voltage. When the load changes, the output voltage significantly drops (through switching losses and non-ideal converter elements). The single-input single-output (SISO) approach with minor-loop voltage feedback controller presented here overcomes this problem. This approach is created on a theoretical linear model and verified by discrete-model simulation on MATLAB/Simulink. The capability and effectiveness of the SISO approach in compensating start-up current/voltage and in achieving zero steady-state error were tested for transient cases with step-changed load and step-changed reference voltage for linear and non-linear loads. Tests were done to analyze the transient performance against various controller gains. An experiment prototype was also developed for verification.
A brushless DC motor has the high quality of torque output and silence, has been more widely used in industrial area. As the driver and controller of BLDC motor have been more complicated and precise, simulation method has been much used in motor design. And the output characteristics of BLDC motor is determined by the waveform of BACK-KMF in instinct. But because the conventional model of BLDC motor is obtained by approximation of real nonlinear waveform to ideal trapezoidal waveform, the error is occurred in simulation result. Thus in this paper, for the correction of this error in simulation, the model of real nonlinear waveform considered is proposed, and the simulation result is obtained in case of three-phase, four-poles Y-connected, surface mounted permanent magnet BLDC motor.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.19
no.9
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pp.51-58
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2002
Vehicle dynamics control systems are. complex and non-linear, so they have difficulties in developing a controller for the anti-lock braking systems and the auto-traction systems. Currently the fuzzy-logic technique to estimate the absolute vehicle speed is good results in normal conditions. But the estimation error in severe braking is discontented. In this paper, we estimate the absolute vehicle speed by using the wheel speed data from standard 50-tooth anti-lock braking system wheel speed sensors. Radial symmetric basis function of the neural network model is proposed to implement and estimate the absolute vehicle speed, and principal component analysis on input data is used. Ten algorithms are verified experimentally to estimate the absolute vehicle speed and one of those is perfectly shown to estimate the vehicle speed with a 4% error during a braking maneuver.
Marante, Maria E.;Barreto, Wilmer J.;Picon, Ricardo A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.71
no.5
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pp.545-552
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2019
The analysis and design of complex structures like sandwich-panel elements are difficult; the use of finite element method for the analysis is complicated and time consuming when non-linear effects are considered. On the other hand, artificial neural network (ANN) models can capture the non-linear effects and its application requires lesser computational demand. Two ANN models were trained, tested and validated to compute the force for a given displacement of a sandwich-type roof element; 2555 force and element deformation pairs were used for training the ANN models. For the models trained without considering the damping effect, there were two values in the input layer: maximum displacement and current displacement, and for the model considering damping, displacement from the previous step was used as an additional input. Totally, 400 ANN models were trained. Results show that there is a good agreement between the experimental and simulated data, and the models showed a good performance with a mean square error value of 4548.85. Both the ANN models could simulate the inelastic behaviour, loss of rigidity, and evolution of permanent displacements. The models could also interpolate and extrapolate, which enables them to be used as an analysis and design tool for such complex elements.
ALSHAMMARI, Tariq S.;ISMAIL, Mohd T.;AL-WADI, Sadam;SALEH, Mohammad H.;JABER, Jamil J.
The Journal of Asian Finance, Economics and Business
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v.7
no.11
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pp.83-93
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2020
This empirical research aims to modeling and improving the forecasting accuracy of the volatility pattern by employing the Saudi Arabia stock market (Tadawul)by studying daily closed price index data from October 2011 to December 2019 with a number of observations being 2048. In order to achieve significant results, this study employs many mathematical functions which are non-linear spectral model Maximum overlapping Discrete Wavelet Transform (MODWT) based on the best localized function (Bl14), autoregressive integrated moving average (ARIMA) model and generalized autoregressive conditional heteroskedasticity (GARCH) models. Therefore, the major findings of this study show that all the previous events during the mentioned period of time will be explained and a new forecasting model will be suggested by combining the best MODWT function (Bl14 function) and the fitted GARCH model. Therefore, the results show that the ability of MODWT in decomposition the stock market data, highlighting the significant events which have the most highly volatile data and improving the forecasting accuracy will be showed based on some mathematical criteria such as Mean Absolute Percentage Error (MAPE), Mean Absolute Scaled Error (MASE), Root Means Squared Error (RMSE), Akaike information criterion. These results will be implemented using MATLAB software and R- software.
Artificial neural networks (ANNs), for a first time, were successfully developed for the modeling and prediction of solvent effects on rate constant of [2+2] cycloaddition reaction of diethyl azodicarboxylate with ethyl vinyl ether in various solvents with diverse chemical structures using quantitative structure-activity relationship. The most positive charge of hydrogen atom (q$^+$), dipole moment ($\mu$), the Hildebrand solubility parameter (${\delta}_H^2$) and total charges in molecule (q$_t$) are inputs and output of ANN is log k$_2$ . For evaluation of the predictive power of the generated ANN, the optimized network with 68 various solvents as training set was used to predict log k$_2$ of the reaction in 16 solvents in the prediction set. The results obtained using ANN was compared with the experimental values as well as with those obtained using multi-parameter linear regression (MLR) model and showed superiority of the ANN model over the regression model. Mean square error (MSE) of 0.0806 for the prediction set by MLR model should be compared with the value of 0.0275 for ANN model. These improvements are due to the fact that the reaction rate constant shows non-linear correlations with the descriptors.
Duncan & Chang(1970) proposed the Duncan-Chang model that a linear relation of transformed stress-strain plots was reconstituted from a nonlinear relation of stress-strain curve of triaxial compression test using hyperbolic theory so as to estimate an initial tangent modulus and ultimate deviator stress for the soil specimen. Although the transformed stress-strain plots show a linear relationship theoretically, they actually show a nonlinearity at both low and high values of strain of the test. This phenomenon indicates that the stress-strain curve is not a complete form of a hyperbola. So, if linear regression analyses for the transformed stress-strain plot are performed over a full range of strain of a test, error in the estimation of their linear equations is unavoidable depending on ranges of strain with non-linearity. In order to reduce such an error, a modified regression analysis method is proposed in this study, in which linear regression analyses for transformed stress-strain plots are performed over the entire range of strain except the range the non-linearity is shown around starting and ending of the test, and then the initial tangent modulus and ultimate deviator stresses are calculated. Isotropically consolidated-drained triaxial compression tests were performed on compacted weathered soil with a modified Proctor density to obtain their model parameters. The modified regression analyses for transformed stress-strain plots were performed and analyzed results are compared with results estimated by 2 points method (Duncan et al., 1980). As a result of analyses, initial tangent moduli are about 4.0% higher and ultimate deviator stresses are about 2.9% lower than those values estimated by Duncan's 2 points method.
An electromagnet is one of the important devices in magnetic levitation system. Its weight takes large part in the total weight of a vehicle. That is the reason why it is important to design the electromagnet optimally to maximize the attraction force with constant volume. This study presents the optimum value of the design variables which can produce the maximal attraction force under constant magnet volume. For this, non-linear programming in optimization technique is used. And to confirm reliability of the results, the optimally designed electromagnet is analyzed by FEM. The attraction force of the optimally designed electromagnet is increased maximally 72% compared with that of the basic model. And the results obtained by non-linear programming has 30% error compared with that of FEM.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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