Impact event is the key factor influencing the operational state of the mechanical equipment. Additionally, nonlinear factors existing in the complex mechanical equipment which are currently attracting more and more attention. Therefore, this paper proposes a novel hybrid-separate identification strategy to solve the force identification problem of the nonlinear structure under impact excitation. The 'hybrid' means that the identification strategy contains both l1-norm (sparse) and l2-norm regularization methods. The 'separate' means that the nonlinear response part only generated by nonlinear force needs to be separated from measured response. First, the state-of-the-art two-step iterative shrinkage/thresholding (TwIST) algorithm and sparse representation with the cubic B-spline function are developed to solve established normalized sparse regularization model to identify the accurate impact force and accurate peak value of the nonlinear force. Then, the identified impact force is substituted into the nonlinear response separation equation to obtain the nonlinear response part. Finally, a reduced transfer equation is established and solved by the classical Tikhonove regularization method to obtain the wave profile (variation trend) of the nonlinear force. Numerical and experimental identification results demonstrate that the novel hybrid-separate strategy can accurately and efficiently obtain the nonlinear force and impact force for the nonlinear structure.
Hao-Xuan Ding;Yi-Wen Zhang;Yin-Ping Li;Gui-Lin She
Steel and Composite Structures
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제49권3호
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pp.281-291
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2023
Due to the fact that the nonlinear low-velocity impact response of graphene platelets reinforced metal foams (GPLRMF) doubly curved shells have not been investigated in the existing works, this paper aims to solve this issue. Using Reddy's high-order shear deformation theory (HSDT), the nonlinear governing equations of GPLRMF doubly curved shells are obtained by Euler-Lagrange method, discretized by Galerkin principle, and solved by the fourth-order Runge-Kutta method to obtain the impact force and central deflection. The nonlinear Hertz contact law is applied to determine the contact force. Finally, the impacts of graphene platelets (GPLs) distribution pattern, porosity distribution form, porosity coefficient, damping coefficient, impact parameters (radius and initial velocity), GPLs weight fraction, pre-stressing force and different shell types on the low-velocity impact curves are analyzed. It can be found that, among the four shell structures, the impact resistance of spherical shell is the best, while that of cylindrical shell is the worst.
This paper is concerned with the numerical investigation of the transfer characteristics of the landing impact force exerted on court sport shoes to the sport surface condition. The reaction force occurred by the impact between court sport shoes and sport surface is absorbed by shoes to some extent, but the remaining impact force is to transfer the human body from the sole of a foot. We consider four surface conditions, asphalt, urethane, clay and wood court surfaces. For the dynamic response analysis, we construct a coupled leg-shoes FEM model and create the multi-layered composite surface model. The numerical simulations are performed by an explicit nonlinear finite element method. Through the numerical experiments, we examine the transfer characteristics of the landing impact force to the surface condition.
In this paper, the contact force between two colliding bodies is modeled by using Hertz's force-displacement law and nonlinear damping function. In order to verify the appropriateness of the proposed contact force model, the drop type impact test is carried out for different impact velocities and different materials of the impacting body, such as rubber, plastic and steel. In the drop type impact experiment, six photo interrupters in series close to the collision location are installed to measure the velocity before impact more accurately. The characteristics of contact force model are investigated through experiments. The parameters of the contact force model are estimated using the optimization technique. Finally the estimated parameters are used to predict the impact force between two colliding bodies in opening action of the magnetic contactor, a kind of switch mechanism for switching electric circuits.
Due to the fact that the mechanism of the effects of temperature and initial geometric imperfection on low-velocity impact problem of axially moving plates is not yet clear, the present paper is to fill the gap. In the present paper, the nonlinear dynamic behavior of axially moving imperfect graphene platelet reinforced metal foams (GPLRMF) plates subjected to lowvelocity impact in thermal environment is analyzed. The equivalent physical parameters of GPLRMF plates are estimated based on the Halpin-Tsai equation and the mixing rule. Combining Kirchhoff plate theory and the modified nonlinear Hertz contact theory, the nonlinear governing equations of GPLRMF plates are derived. Under the condition of simply supported boundary, the nonlinear control equation is discretized with the help of Gallekin method. The correctness of the proposed model is verified by comparison with the existing results. Finally, the time history curves of contact force and transverse center displacement are obtained by using the fourth order Runge-Kutta method. Through detailed parameter research, the effects of graphene platelet (GPL) distribution mode, foam distribution mode, GPL weight fraction, foam coefficient, axial moving speed, prestressing force, temperature changes, damping coefficient, initial geometric defect, radius and initial velocity of the impactor on the nonlinear impact problem are explored. The results indicate that temperature changes and initial geometric imperfections have significant impacts.
The most common kind of vehicular accident is the low-speed rear-end impact that result in high portion of insurance claims and Whiplash Associated Disorders(WAD). The low-speed collisions have specific characteristics that differ from high speed collisions and must be treated differently This paper presents a simple continuous contact force model for the low-speed rear-end impact to simulate the accelerations, velocities and the contact force as functions of time. A smoothed Coulomb friction force is used to represent the effect of braking, which was found to be significant in simulating low-speed rear end impact. The intervehicular contact force is modeled using nonlinear damping and spring elements with coefficients and exponents. This paper presents how to estimate analytically stiffness and damping coefficients. The exponent of the nonlinear contact force model was determined to match the overall acceleration pulse shape and magnitude. The model can be used to determine ${\Delta}Vs$ and peak accelerations for the purpose of accident reconstruction and for injury biomechanics studies.
In this study, the low velocity impact behavior of the composite laminates has been described by using 3 dimensional nonlinear finite elements. To describe the geometric nonlinearity due to large deformation, the dynamic contact problem is formulated using the exterior penalty finite element method on the base of Total Lagrangian formulation. The incremental decomposition is introduced, and the converged solution is attained by Newton-Raphson Method. The Newmark's constant-acceleration time integration algorithm is used. To make verification of the finite element program developed in this study, the solution of the nonlinear static problem with occurrence of large deformation is compared with ABAQUS, and the solution of the static contact problem with indentation is compared with the Hertz solution. And, the solution of low velocity impact problem for isotropic material is verificated by comparison with that of LS-DYNA3D. Finally the contact force of impact response from the nonlinear analysis are compared with those from the linear analysis.
Nonlinear low velocity impact response of sandwich beam with laminated composite face sheets and soft core is studied based on Extended High Order Sandwich Panel Theory (EHSAPT). The face sheets follow the Third order shear deformation beam theory (TSDT) that has hitherto not reported in conventional EHSAPT. Besides, the two dimensional elasticity is used for the core. The nonlinear Von Karman type relations for strains of face sheets and the core are adopted. Contact force between the impactor and the beam is obtained using the modified Hertz law. The field equations are derived via the Ritz based applied to the total energy of the system. The solution is obtained in the time domain by implementing the well-known Runge-Kutta method. The effects of boundary conditions, core-to-face sheet thickness ratio, initial velocity of the impactor, the impactor mass and position of the impactor are studied in detail. It is found that each of these parameters have significant effect on the impact characteristics which should be considered. Finally, some low velocity impact tests have been carried out by Drop Hammer Testing Machine. The contact force histories predicted by EHSAPT are in good agreement with that obtained by experimental results.
Large deflection dynamic responses of laminated composite cylindrical shells under impact are analyzed by the geometrically nonlinear finite element method based on a generalized Sander's shell theory with the first order transverse shear deformation and the von-Karman large deflection assumption. A modified indentation law with inelastic indentation is employed for the contact force. The nonlinear finite element equations of motion of shell and an impactor along with the contact laws are solved numerically using Newmark's time marching integration scheme in conjunction with Akay type successive iteration in each step. The ply failure region of the laminated shell is estimated using the Tsai- Wu quadratic interaction criteria. Numerical results, including the contact force histories, deflections and strains are presented and compared with the ones by linear analysis. The effect of the radius of curvature on the composite shell behaviors is investigated and discussed.
Tubes in heat exchanger of fuel rods in reactor core are supported at intemediate point by support p0lates or springs. Current practice is, in case of heat exchanger, to allow clearance between tube and support plate for design and manufacturing consideration. And in case of fuel rod the clearance in support point can be generated due to the support spring force relaxation. Flow-induced vibration of a tube can cause it to impact or rub against support plate or against adjacent tubes and can result in fretting-wear. The tube-to- support dynamic interaction is used to relate experimental wear data from single-span test rigs to real multi-span heat exchanger configurations. The dynamic interaction cna be measured during experimental wear tests. However, the dynamic interaction is difficult to measure in real heat exchangers and, therefore, analytical techniques are required to estimate this interaction. This paper describels the nonlinear impact model of DAGS(Dynamic Analysis of Gapped Structure) code which simulates the tube response to external sinusodial or step excitation and predicts tube motion and tube-to-support dynamic interaction. Three experimental measurements-two single span rods excited by sinusodial force and a two span rod impacted by a steel ball are compared from the simulation nonlinear model of DAGS code. The simulation results from DAGS code are in good agreement with measurements. Therefore, the developed model of DAGS code is good analytical tool for estimating tube-to-support dynamic interaction in real heat exchangers.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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