This paper discusses details of modeling and robust control of an AMB (active magnetic bearing) spindle, and part I presents a modeling and validation process of the AMB spindle. There are many components in AMB spindle : electromagnetic actuator, sensor, rotor, power amplifier and digital controller. If each component is carefully modeled and evaluated, the components have tight structured uncertainty bounds and achievable performance of the system increases. However, since some unknown dynamics may exist and the augmented plant could show some discrepancy with the real plant, the validation of the augmented plant is needed through measuring overall frequency responses of the actual plant. In addition, it is necessary to combine several components and identify them with a reduced order model. First, all components of the AMB spindle are carefully modeled and identified based on experimental data, which also render valuable information in quantifying structured uncertainties. Since sensors, power amplifiers and discretization dynamics can be considered as time delay components, such dynamics are combined and identified with a reduced order. Then, frequency responses of the open-loop plant are measured through closed-loop experiments to validate the augmented plant. The whole modeling process gives an accurate nominal model of a low order for the robust control design.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.32
no.5
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pp.447-454
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2015
Design and application of hardware-in-the-loop simulation (HILS) for design of CNC-controlled machine tool feed drives is discussed. The CNC machine tool is a complex mechatronics system where the complexity results from the software-based controller composed of a variety of functionalities and advanced control algorithms. Therefore, using a real CNC controller in the control simulation has merits considering the efforts and accuracy of the simulation modeling. In this paper challenges in HILS for a CNC controlled feed drive, such as minimization of time delay and transmission error that are caused by discretization of the feed drive model, is elaborated. Using an experimental HILS setup of a machine tool feed drive applications in controller gain selection and CNC diagnostics are presented.
A preconditioning technique is presented for a simultaneous solution to wind-membrane interaction. In the simultaneous equations, a linear elastic model was employed to deal with the fluid-structure data transfer at the interface. A Lagrange multiplier was introduced to impose the specified boundary conditions at the interface and strongly coupled simultaneous equations are derived after space and time discretization. An initial linear elastic model preconditioner and modified one were derived by treating the linearized elastic model equation as a saddle point problem, respectively. Accordingly, initial and modified fluid-structure interaction (FSI) preconditioner for the simultaneous equations were derived based on the initial and modified linear elastic model preconditioners, respectively. Wind-membrane interaction analysis by the proposed preconditioners, for two and three dimensional membranous structures respectively, was performed. Comparison was made between the performance of initial and modified preconditioners by comparing parameters such as iteration numbers, relative residuals and convergence in FSI computation. The results show that the proposed preconditioning technique greatly improves calculation accuracy and efficiency. The priority of the modified FSI preconditioner is verified. The proposed preconditioning technique provides an efficient solution procedure and paves the way for practical application of simultaneous solution for wind-structure interaction computation.
In this paper the results of CFD simulations, that were carried out to study the impact pressures acting on a symmetric wedge during water entry under the influence of gravity, are presented. The simulations were done using a solver implementing finite volume discretization and using the VOF scheme to keep track of the free surface during water entry. The parameters such as pressure on impact, displacement, velocity, acceleration and net hydrodynamic forces, etc., which govern the water entry process are monitored during the initial stage of water entry. In addition, the results of the complete water entry process of wedges covering the initial stage where the impact pressure reaches its maximum as well as the late stage that covers the rebound process of the buoyant wedge are presented. The study was conducted for a few touchdown velocities to understand its influence on the water entry phenomenon. The simulation results are compared with the experimental measurements available in the literature with good accuracy. The various computational parameters (e.g., mesh size, time step, solver, etc.) that are necessary for accurate prediction of impact pressures, as well as the entry-exit trajectory, are discussed.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1992.10a
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pp.117-123
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1992
In recent years, the finite element method has become one of the most popular numerical technique for obtaining solutions of engineering science problems. However, there exist various uncertainties in modeling the problems, such as the dimensions(geometry shape), the material properties, boundary conditions, etc. The consideration for the uncertainties inherent in the problems can be made by understanding the influences of uncertain parameters[1]. Determining the influences of uncertainties as statistical quantities using the standard finite element method requires enormous computing time, while the probabilistic finite element method is realized as an efficient scheme[2,3] yielding statistical solution with just a few direct computations. In this paper, a formulation of the probabilistic fluid-structure interaction problem accounting for the first order perturbation of geometric shape is derived, and especially probabilistical acoustic pressure scattering from the structure with surrounding fluid is focused on. In Section 2, governing equations for the fluid-structure problems are given. In Section 3, a finite element formulation, based on the functional, is presented. First order perturbation of geometric shape with randomness is incorporated into the finite element formulation in conjunction with discretization of the random fields in Section 4 and 5. Finally, the proposed formulation is applied to a acoustic pressure scattering problem from an infinitely long cylindrical shell structure with randomness of radial perturbation.
The inclination of seabed profile (sloped seabed) is one of the known topographic features which can be observed at different seabed level in the large offshore basin. A mooring system connected between the platform and global seabed is an integral part of the floating structure which tries to keep the floating platform settled in its own position against hostile sea environment. This paper deals with an investigation of the motion responses of an FPSO platform moored on the sloped seabed under the combined action of wave, wind and current loads. A three-dimensional panel discretization method has been used to model the floating body. To introduce the connection of multi-segmented non-linear elastic catenary mooring cables with the sloped seabed, a quasi-static composite catenary model is employed. The model and analysis have been completed by using hydrodynamic diffraction code AQWA. Validation of the numerical model has been successfully carried out with an experimental work published in the latest literature. The analysis procedure in this study has been followed time domain analysis. The study involves an objective oriented investigation on platform motions, in order to identify the effects of the slopped seabed, the action of the wave, wind and current loads and the presence of riser system. In the end, an effective analysis has been performed to identify a stable mooring model in demand of reducing structural responses of the FPSO.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.5
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pp.580-586
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2004
The ray effects of finite volume method (FVM) or discrete ordinate method (DOM) are known to show a non-physical oscillation in solution of radiative heat transfer on a boundary. This wiggling behavior is caused by the finite discretization of the continuous control angle. This article proposes a combined procedure of the Monte-Carlo and finite-volume method (CMCFVM) for solving radiative heat transfer in absorbing, emitting, and an-isotropically scattering medium with an isolated boundary heat source. To tackle the problem, which is especially pronounced in a medium with an isolated heat source, the CMCFVM is suggested here and successfully applied to a two-dimensional circular geometry.
A computer code has been developed for the computation of the viscous flow around a ship model with the free surface. In this code, the incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved numerically by a finite difference method which employes second-order finite differences for the spatial discretization and a four-stage Runge-Kutta scheme for the temporal integration of the governing equations. For the turbulence closure, a modified version of the Baldwin-Lomax model is exploited. The location of the free surface is determined by solving the equation of the kinematic free-surface condition using the Lax-Wendroff scheme and the boundary-fitted grid is generated at each time step so that one of the grid surfaces always coincides with the free surface. An inviscid approximation of the dynamic free-surface boundary condition is applied as the boundary conditions for the velocity and pressure on the free surface. To validate the computational method and the computer code developed in the present study, the numerical computations are carried out for both Wigley parabolic hull and Series 60 $C_B=0.6$ ship model and the computational results are compared with the experimental data.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.10
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pp.1384-1391
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2001
Three-dimensional flow analysis is implemented to investigate the flow through transonic axial-flow compressor rotor(NASA R67) and to evaluate the performances of Abid's low-Reynolds-number k-$\omega$ and Baldwin-Lomax turbulence models. A finite volume method is used fur spatial discretization. The equations are solved implicitly in time by the use of approximate factorization. The upwind difference scheme is used for inviscid terms and viscous terms are approximated with central difference. The flux-difference-splitting method of Roe is used to obtain fluxes at the cell faces. Numerical analysis is performed near peak efficiency and near stall. The results are compared with the experimental data for NASA R67 rotor. Blade-to-Blade Mach number distributions are compared to confirm the accuracy of the code. From the results, it is concluded that Abid'k-$\omega$ model is better for the calculation of flow rate and efficiency than Baldwin-Lomax model. But, the predictions for Mach number and shock structure are almost the same.
Large eddy simulation (LES) is increasingly used as a tool for studying the dynamics of turbulence in combustion chamber flows due to the promise of wider generality and more accurate results compared to Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS) models. This study presents the appropriate subgrid-scale(SGS) model in LES for predicting the turbulent flow field in the internal combustion engine. The study of the effects of model and numerical parameters such as discretization scheme, initial condition, time step and SGS model was performed. The results of LES using the SGS model were found to be in the good agreement with experimental data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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