Problems involved in the numerical analysis on the forced oscillation of nonlinear oscillators such a microbubble oscillation under ultrasound and Duffing oscillator were discussed. One of the problems is proper choice of the time scale of the driving force. which is related to the numerical artifacts due to the mismatch between the natural frequency of an oscillator(or bubble) and the characteristic frequency of the applied force. Such problem may occur in a nonlinear oscillator whose behavior is crucially dependent on the frequency of the applied force. The artificial resonance problem during the numerical evaluation of such nonlinear systems was also discussed.
In this paper a nonlinear, bistable, single degree of freedom system is considered. It consists of a Duffing oscillator externally excited by a non-resonant, harmonic force. A customized perturbation scheme is proposed to achieve an approximate expression for periodic solutions. It is based on the evaluation of the quasi-steady (slow) solution, and then on a variable change followed by two perturbation steps which aim to capture the fast, decaying contribution of the response. The reconstructed solution, given by the sum of the slow and fast contributions, is in a good agreement with the one obtained by numerical integration.
기포 진동 시스템에 대한 수치해석이 수행되었다. 수학적 모델은 기포역학에 대해서는 Keller의 식을, 기포내부 해석을 위해서는 Prosperetti의 식을 채택하였다. Prosperetti는 기포내부 해석을 위해 에너지 방정식을 도입하였으며 매우 정확한 해석을 가능케 하였다. 수치해석결과 기포진동의 주파수 응답곡선에 있어 전형적인 비선형 현상들을 볼 수 있었다. 이러한 비선형 현상들에는 점프현상(jump phenomena), 공진주파수의 변화, 그리고 superharmonic 공진점의 발생등이 있다. 비선형 주파수 응답은 기포진동 시스템의 초기조건에 따라 달라지는데 이에 의해 어느 가진 주파수 대역에서는 두개 이상의 해가 존재할 수 있게 된다. 기포진동 시스템에서 비선형 진동현상은 Duffing 방정식과 비교가 되는데 두 시스템은 비슷한 비선형 현상들을 가지고 있다고 볼 수 있다.
This paper presents a new linearization algorithm to find the periodic solutions of the Duffing equation, under harmonic loads. Since the Duffing equation models a single degree of freedom system with a cubic nonlinear term in the restoring force, finding its periodic solutions using classical harmonic balance (HB) approach requires numerical integration. The algorithm developed in this paper replaces the integrals appearing in the classical HB method with triangular matrices that are evaluated algebraically. The computational cost of using increased number of frequency components in the matrixbased linearization approach is much smaller than its integration-based counterpart. The algorithm is computationally efficient; it only takes a few iterations within the region of convergence. An example comparing the results of the linearization algorithm with the "exact" solutions from a 4th order Runge- Kutta method are presented. The accuracy and speed of the algorithm is compared to the classical HB method, and the limitations of the algorithm are discussed.
최근 센서 네트워크 등이 대량으로 설치되면서 전원에 대한 유지보수의 어려움을 자지고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 센서 네트워크에 MEMS 발진기를 삽입하여 MEMS 발생하는 진동을 이용한 전원 개발이 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 MEMS 시스템에서 전원 신호로 사용할 수 있는 진동 신호를 발생시키기 위한 방법의 하나로 Duffing 방정식으로 구성하는 MEMS 시스템을 제안하고 이 시스템의 진동신호에서 카오스적인 거동을 컴퓨터 시뮬레이션으로 확인하고 검증하였다. 검증 방법으로 파라미터 변화에 의한 주기 운동과 카오스 운동이 있음을 시계열 데이터, 위상 공간, 전력 스펙트럼, 포엔카레 멥을 통하여 확인하였다.
The non-linear torsional vibrations of the propulsion shafting system with viscous damper are considered. The motion is modeled by non-linear differential equations of second order. the equivalent system is modeled by two mass softening system with Duffing's oscillator. The steady state response of a equivalent system is analyzed for primary resonance only. Harmonic balance method as a non-linear vibration analysis technique is used. Jump phenomena are explained. The primary unstable region obtained by the Mathieu equation is investigated. Both theoretical and measured results of the propulsion shafting system are compared with and evaluated. As a result of comparisons with both data, it was confirmed that Duffing's oscillator can be used as a analysis method in the modeling of the propulsion shafting system attached viscous damper with non-linear stiffness.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제20권4호
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pp.50-58
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1996
The torsional vibration of the propulsion shafting system equipped with viscous damper is investigated. The equivalent system is modeled by a two mass softening system with Duffing's oscillator and the vibratory motion is described by non-linear differential equations of second order. The damper casing is fixed at the front-end of crankshaft and the damper's inertia ring floats in viscous silicon fluid inside of the camper casing. The excitation frenquency is proportional to the rotational speed of engine. The steady state response of the equivalent system is analyzed by the computer and for this analyzing, the harmonic balance method is adopted as a non-linear vibration analysis technique. Frequency response curves are obtained for 1st order resonance only. Jump phenomena are explained. The discriminant for the solutions of the steady state response is derived. Both theoretical and measured results of the propulsion shafting system are compared with and evaluated. As a result of comparisions with both data, it was confirmed that Duffing's oscillator can be used in the modeling of the propulsion shafting system attached with viscous damper with non-linear stiffness.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제20권4호
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pp.372-372
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1996
The torsional vibration of the propulsion shafting system equipped with viscous damper is investigated. The equivalent system is modeled by a two mass softening system with Duffing's oscillator and the vibratory motion is described by non-linear differential equations of second order. The damper casing is fixed at the front-end of crankshaft and the damper's inertia ring floats in viscous silicon fluid inside of the camper casing. The excitation frenquency is proportional to the rotational speed of engine. The steady state response of the equivalent system is analyzed by the computer and for this analyzing, the harmonic balance method is adopted as a non-linear vibration analysis technique. Frequency response curves are obtained for 1st order resonance only. Jump phenomena are explained. The discriminant for the solutions of the steady state response is derived. Both theoretical and measured results of the propulsion shafting system are compared with and evaluated. As a result of comparisions with both data, it was confirmed that Duffing's oscillator can be used in the modeling of the propulsion shafting system attached with viscous damper with non-linear stiffness.
In this paper, a novel and efficient global intelligent digital redesign technique for a Takagi-Sugeno (TS) fuzzy system is addressed. The proposed method should be notably discriminated from the previous works in that in allows us to globally match the states of the closed-loop TS fuzzy system with the pre-designed continuous-time fuzzy-model-based controller and those with the digitally redesigned fuzzy-model-based controller, and further to guarantee the stabilizability by the redesigned controller in the sense of Lyapunov. Sufficient conditions for the global state-matching and the stability of the digitally controller system are formulated in terns of linear matrix inequalities (LMIs). The Duffing-like chaotic oscillator is simulated and demonstrated, to validate the effectiveness of the proposed digital redesign technique, which implies the safe applicability to the digital control system.
In this paper, the optimal extended homotopy analysis method (OEHAM) is introduced to deal with the damped Duffing resonator driven by a van der Pol oscillator, which can be described as a complex Multi-Degree-of-Freedom (MDOF) nonlinear coupling system. Ecumenically, the exact solutions of the MDOF nonlinear coupling systems are difficult to be obtained, thus the development of analytical approximation becomes an effective and meaningful approach to analyze these systems. Compared with traditional perturbation methods, HAM is more valid and available, and has been widely used for nonlinear problems in recent years. Hence, the method will be chosen to study the system in this article. In order to acquire more suitable solutions, we put forward HAM to the OEHAM. For the sake of verifying the accuracy of the above method, a series of comparisons are introduced between the results received by the OEHAM and the numerical integration method. The results in this article demonstrate that the OEHAM is an effective and robust technique for MDOF nonlinear coupling systems. Besides, the presented methods can also be broadly used for various strongly nonlinear MDOF dynamical systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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