In order to enhance the seismic performance of base-isolated structures on soft foundations, the hybrid system of base-isolated system (BIS) and shape memory alloy inerter (SMAI), referred to as BIS+SMAI, is for the first time here proposed. Considering the nonlinear hysteretic relationships of both the isolation layer and SMA, and soil-structure interaction (SSI), the equivalent linearized state space equation is established of the structure-BIS+SMAI system. The displacement variance based on the H2 norm is then formulated for the structure with BIS+SMAI. Employing the particle swarm optimization, the optimization design methodology of BIS+SMAI is presented in the frequency domain. The evolvement rules of BIS+SMAI in the effectiveness, robustness, SMA driving force, inertia force, stroke, and damping enhancement effect are revealed in the frequency domain through changing the inerter-mass ratio, structural height, aspect ratio, and relative stiffness ratio between the soil and structure. Meanwhile, the validation of BIS+SMAI is conducted using real earthquake records. Results demonstrate that BIS+SMAI can effectively reduce the isolation layer displacement. The inerter can significantly increase the hysteretic displacement of SMA and thus enhance its energy dissipation capacity, implying that BIS+SMAI has better effectiveness than BIS+SMA. Although BIS+SMAI and BIS+ tuned inerter damper (TID) have practically the same effectiveness, BIS+SMAI has the lower optimum damping, significantly smaller inertia force, and higher robustness to perturbations of the optimum parameters. Therefore, BIS+SMAI can be used as a more engineering realizable hybrid system for enhancing the performance of base-isolated structures in soft soil areas.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.39
no.7
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pp.605-611
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2011
Shimmy is a self-excited vibration in lateral and torsional directions of a landing gear during either the take-off or landing. It is caused by a couple of conditions such as a low torsional stiffness of the strut, a free-play in the landing gear, a wheel imbalance, or worn parts, and it may make the aircraft unstable. This study was performed for an analysis of the shimmy stability on a small aircraft. A nose landing gear was modeled as a linear system and characterized by state-equations which were used to analyze the stability both in the frequency and time-domain for predicting whether the shimmy occurs and investigating a good design range of the important parameters. The root-locus method and the 4th Runge-Kutta method were used for each analysis. Because the present system has a simple mechanism using a friction to reinforce the stability, the friction, a non-linear factor, was linearized by a describing function and considered in the analysis and observed the result of the instability reduction.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.33
no.2
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pp.54-59
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2005
Nonlinear aeroelastic analyses of a missile control fin are performed considering backlash and dynamic stiffness of actuator. Doublet-Hybrid method is used for the calculation of subsonic unsteady aerodynamic forces, and aerodynamic forces are approximated by the minimum-state approximation. For nonlinear flutter analysis backlash is represented by a free-play and is linearized by using the describing function method. Also, dynamic stiffness is function of frequency and is calculated by solving equation of motion for actuator. The linear and nonlinear flutter analyses show that the aeroelastic characteristics are significantly dependent on the backlash and dynamic stiffness. From the nonlinear flutter analysis, various types of limit cycle oscillations are observed in a range of air speeds below the linear divergent flutter boundary. The nonlinear flutter characteristics and the nonlinear aeroelastic responses are also investigated in the time domain.
The suppression of aerodynamic response of long-span suspension bridges during erection and after completion by using single TMD and multi TMD is presented in this paper. An advanced finite-element-based aerodynamic model that can be used to analyze both flutter instability and buffeting response in the time domain is also proposed. The frequency-dependent flutter derivatives are transferred into a time-dependent rational function, through which the coupling effects of three-dimensional aerodynamic motions under gusty winds can be accurately considered. The modal damping of a structure-TMD system is analyzed by the state-space approach. The numerical examples are performed on the Akashi Kaikyo Bridge with a main span of 1990 m. The bridge is idealized by a three-dimensional finite-element model consisting of 681 nodes. The results show that when the wind velocity is low, about 20 m/s, the multi TMD type 1 (the vertical and horizontal TMD with 1% mass ratio in each direction together with the torsional TMD with ratio of 1% mass moment of inertia) can significantly reduce the buffeting response in vertical, horizontal and torsional directions by 8.6-13%. When the wind velocity increases to 40 m/s, the control efficiency of a multi TMD in reducing the torsional buffeting response increases greatly to 28%. However, its control efficiency in the vertical and horizontal directions reduces. The results also indicate that the critical wind velocity for flutter instability during erection is significantly lower than that of the completed bridge. By pylon-to-midspan configuration, the minimum critical wind velocity of 57.70 m/s occurs at stage of 85% deck completion.
The flyback converter, which can be regarded as a nonlinear time-varying system, has complex dynamics and nonlinear behaviors. These phenomena can affect the stability of the converter. To simplify the modeling process and retain the information of the output capacitor branch, a special sampled-data model of a peak current-mode (PCM) controlled flyback converter is established in this paper. Based on this, its dynamic behaviors are analyzed, which provides guidance for designing the circuit parameters of the converter. With the critical stability boundary equation derived by a Jacobian matrix, the stable operation range with a varied output capacitor, proportional coefficient of error the amplifier, input voltage, reference voltage and slope of the compensation ramp of a PCM controlled flyback converter are investigated in detail. Research results show that the duty ratio should be less than 0.5 for a PCM controlled flyback converter without ramp compensation to operate in a stable state. The stability regions in the parameter space between the output capacitor and the proportional coefficient of the error amplifier are enlarged by increasing the input voltage or by decreasing the reference voltage. Furthermore, the ramp compensation also can extend to the stable region. Finally, time-domain simulations and experimental results are presented to verify the theoretical analysis results.
The analysis of nonlinear vibrations, buckling, post-buckling, flutter boundary determination and post-flutter behavior of a homogeneous curved plate assuming cylindrical bending is conducted in this article. Other assumptions include simply-supported boundary conditions, supersonic aerodynamic flow at the top of the plate, constant pressure conditions below the plate, non-viscous flow model (using first- and third-order piston theory), nonlinear structural model with large deformations, and application of mechanical and thermal loads on the curved plate. The analysis is performed with constant environmental indicators (flow density, heat, Reynolds number and Mach number). The material properties (i.e., coefficient of thermal expansion and modulus of elasticity) are temperature-dependent. The equations are derived using the principle of virtual displacement. Furthermore, based on the definitions of virtual work, the potential and kinetic energy of the final relations in the integral form, and the governing nonlinear differential equations are obtained after fractional integration. This problem is solved using two approaches. The frequency analysis and flutter are studied in the first approach by transferring the handle of ordinary differential equations to the state space, calculating the system Jacobin matrix and analyzing the eigenvalue to determine the instability conditions. The second approach discusses the nonlinear frequency analysis and nonlinear flutter using the semi-analytical solution of governing differential equations based on the weighted residual method. The partial differential equations are converted to ordinary differential equations, after which they are solved based on the Runge-Kutta fourth- and fifth-order methods. The comparison between the results of frequency and flutter analysis of curved plate is linearly and nonlinearly performed for the first time. The results show that the plate curvature has a profound impact on the instability boundary of the plate under supersonic aerodynamic loading. The flutter boundary decreases with growing thermal load and increases with growing curvature.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.859-865
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2007
This paper presents a method to analyze the unbalance response of a high speed polygon mirror scanner motor supported by sintered bearing and flexible supporting structures by using the finite element method and the mode superposition method. The appropriate finite element equations for polygon mirror are described by rotating annular sector element using Kirchhoff plate theory and von Karman non-linear strain, and its rigid body motion is also considered. The rotating components except for the polygon mirror are modeled by Timoshenko beam element including the gyroscopic effect. The flexible supporting structures are modeled by using a 4-node tetrahedron element and 4-node shell element with rotational degrees of freedom. Finite element equations of each component of the polygon mirror scanner motor and the flexible supporting structures are consistently derived by satisfying the geometric compatibility in the internal boundary between each component. The rigid link constraints are also imposed at the interface area between sleeve and sintered bearing to describe the physical motion at this interface. A global matrix equation obtained by assembling the finite element equations of each substructure is transformed to a state-space matrix-vector equation, and both damped natural frequencies and modal damping ratios are calculated by solving the associated eigenvalue problem by using the restarted Arnoldi iteration method. Unbalance responses in time and frequency domain are performed by superposing the eigenvalues and eigenvectors from the free vibration analysis. The validity of the proposed method is verified by comparing the simulated unbalance response with the experimental results. This research also shows that the flexibility of supporting structures plays an important role in determining the unbalance response of the polygon mirror scanner motor.
A hybrid mount featuring rubber element and piezoelectric actuator is devised to reduce vibration when starting a vehicle engine. As a first step, a passive mount adopting rubber element is manufactured and its dynamic characteristics are experimentally evaluated. After evaluating dynamic characteristics of the manufactured inertial piezoelectric actuator, the proposed hybrid mount is then established by integrating the piezoelectric actuator with the rubber element for performance improvement at non-resonant high frequencies. A mathematical model of the established active vibration control system is formulated and expressed in the state space form. Subsequently, sliding mode controller (SMC) is designed to attenuate the vibration transmitted from the base excitation. Finally, control performances of the proposed hybrid mount are evaluated such as transmissibility in frequency domain and time responses.
In these days, the development of optical fiber sensor technology is so remarkable that it can measure various physical and chemical quantities ranging from a few millimeters to over several kilometers. In addition, it is attempted to assess the structural integrity of the state of the advanced technologies and existing structures such as ships, aircrafts, and bridges. This paper introduced the case histories of the measuring technology of optical fiber applied on structures such as roads and tunnels. The case history using OTDR (Optical Time Domain Reflectometery) was also introduced in this paper. Measurement of the pre-convergence of a tunnel is essential to assess the safety of a tunnel and understand the geological conditions ahead of an advancing tunnel. Therefore, the pre-convergence measuring technology using OTDR is expected to substitute conventional measuring techniques.
In order to derive domain-independent heuristics from the specification of a planning problem, it is required to relax the given problem and then solve the relaxed one. In this paper, we present a new planning graph, Merged Planning Graph(MPG), and GD heuristics for solving contingent planning problems with both uncertainty about the initial state and non-deterministic action effects. The merged planning graph is an extended one to be applied to the contingent planning problems from the relaxed planning graph, which is a common means to get effective heuristics for solving the classical planning problems. In order to get heuristics for solving the contingent planning problems with sensing actions and non-deterministic actions, the new graph utilizes additionally the effect-merge relaxations of these actions as well as the traditional delete relaxations. Proceeding parallel to the forward expansion of the merged planning graph, the computation of GD heuristic excludes the unnecessary redundant cost from estimating the minimal reachability cost to achieve the overall set of goals by analyzing interdependencies among goals or subgoals. Therefore, GD heuristics have the advantage that they usually require less computation time than the overlap heuristics, but are more informative than the max and the additive heuristics. In this paper, we explain the experimental analysis to show the accuracy and the search efficiency of the GD heuristics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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