Park, Nam-Gyu;Rhee, Hui-Nam;Moon, Hoy-Ik;Jang, Young-Ki;Jeon, Sang-Youn;Kim, Jae-Ik
Nuclear Engineering and Technology
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v.41
no.6
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pp.821-830
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2009
In this paper, modal testing and finite element modeling results to identify the modal parameters of a nuclear fuel rod as well as its cladding tube are discussed. A vertically standing full-size cladding tube and a fuel rod with lead pellets were used in the modal testing. As excessive flow-induced vibration causes a failure in fuel rods, such as fretting wear, the vibration level of fuel rods should be low enough to prevent failure of these components. Because vibration amplitude can be estimated based on the modal parameters, the dynamic characteristics must be determined during the design process. Therefore, finite element models are developed based on the test results. The effect of a lumped mass attached to a cladding tube model was identified during the finite element model optimization process. Unlike a cladding tube model, the density of a fuel rod with pellets cannot be determined in a straightforward manner because pellets do not move in the same phase with the cladding tube motion. The density of a fuel rod with lead pellets was determined by comparing natural frequency ratio between the cladding tube and the rod. Thus, an improved fuel rod finite element model was developed based on the updated cladding tube model and an estimated fuel rod density considering the lead pellets. It is shown that the entire pellet mass does not contribute to the fuel rod dynamics; rather, they are only partially responsible for the fuel rod dynamic behavior.
Conventional Piezoelectric Energy Harvesters (CPEH) have been extensively studied for maximizing their electrical output through material selection, geometric and structural optimization, and adoption of efficient interface circuits. In this paper, the performance of Stepped Piezoelectric Energy Harvester (SPEH) under harmonic base excitation is studied analytically, numerically and experimentally. The motivation is to compare the energy harvesting performance of CPEH and SPEHs with the same characteristics (resonant frequency). The results of this study challenge the notion of achieving higher voltage and power output through incorporation of geometric discontinuities such as step sections in the harvester beams. A CPEH consists of substrate material with a patch of piezoelectric material bonded over it and a tip mass at the free end to tune the resonant frequency. A SPEH is designed by introducing a step section near the root of substrate beam to induce higher dynamic strain for maximizing the electrical output. The incorporation of step section reduces the stiffness and consequently, a lower tip mass is used with SPEH to match the resonant frequency to that of CPEH. Moreover, the electromechanical coupling coefficient, forcing function and damping are significantly influenced because of the inclusion of step section, which consequently affects harvester's output. Three different configurations of SPEHs characterized by the same resonant frequency as that of CPEH are designed and analyzed using linear electromechanical model and their performances are compared. The variation of strain on the harvester beams is obtained using finite element analysis. The prototypes of CPEH and SPEHs are fabricated and experimentally tested. It is shown that the power output from SPEHs is lower than the CPEH. When the prototypes with resonant frequencies in the range of 56-56.5 Hz are tested at 1 m/s2, three SPEHs generate power output of 482 μW, 424 μW and 228 μW when compared with 674 μW from CPEH. It is concluded that the advantage of increasing dynamic strain using step section is negated by increase in damping and decrease in forcing function. However, SPEHs show slightly better performance in terms of specific power and thus making them suitable for practical scenarios where the ratio of power to system mass is critical.
Mobile communication industry powered by electronics and information technology is building a transforming way for human communication. The latest electronics is so saturated to forget the difficulty in size reduction of electronic parts. However, mechanical parts, such as dynamic speakers and vibration motors, are intrinsically not easy to realize size reduction due to their construction. In this paper, a hexahedral type with simpler configuration is introduced to substitute for the conventional vibration motors. For uneven magnetic field analysis of the hexahedral type, FEM was used to determine magnetic flux density. After an analysis of magnetic and mechanical characteristics, it is shown that the coil configuration is the most important parameter to increase the output torque, and thus vibration. For optimization, genetic algorithm is used to find the optimal configuration of coil to maximize the output torque. Experimental results are also followed to confirm the validity of the proposed design.
It is reported that semi-solid forming process takes many advantages over the conventional forming process, such as a long die life, good mechanical properties and energy saves. It is important to predict the deformation behavior for optimization of the forging process with semi-solid materials and to control liquid segregation for mechanical properties of materials. But rheology material has thixotropic, pseudo-plastic and shear-thinning characteristics. So, it is difficult for a numerical simulation of the rheology process to be performed because complicated processes such as the filling to include the state of the free surface and solidification in the phase transformation must be considered. General plastic or fluid dynamic analysis is not suitable for the analysis of the rheology material behavior. Recently, molecular dynamics is used for the behavior analysis of the rheology material and turned out to be suitable among several methods. In this study, molecular dynamics simulation was performed for the control of liquid segregation, forming velocity, and viscosity in compression experiment as a part of study on the analysis of rheology forming process.
A novel controller design is presented for the recently proposed electric springs (ESs). The dynamic modeling is analyzed first, and the initial Bode diagram is derived from the s-domain transfer function in the open loop. The design objective is set according to the characteristics of a minimum phase system. Step-by-step optimizations of the Bode diagram are provided to illustrate the proposed controller, the design of which is different from the classical multistage leading/lagging design. The final controller is the accumulation of the transfer function at each step. With the controller and the recently proposed δ control, the critical load voltage can be regulated to follow the desired waveform precisely while the fluctuations and distortions of the input voltage are passed to the non-critical loads. Frequency responses at any point can be modified in the Bode diagram. The results of the modeling and controller design are validated via simulations. Hardware and software designs are provided. A digital phase locked loop is realized with the platform of a digital signal processor. The effectiveness of the proposed control is also validated by experimental results.
This paper presents the flutter analysis and optimum design of axially functionally graded box beam cantilever wing section by considering various geometric and material parameters. The coupled dynamic equations of the continuous model of wing system in terms of material and cross-sectional properties are formulated based on extended Hamilton's principle. By expressing the lift and pitching moment in terms of plunge and pitch displacements, the resultant two continuous equations are simplified using Galerkin's reduced order model. The flutter velocity is predicted from the solution of resultant damped eigenvalue problem. Parametric studies are conducted to know the effects of geometric factors such as taper ratio, thickness, sweep angle as well as material volume fractions and functional grading index on the flutter velocity. A generalized surrogate model is constructed by training the radial basis function network with the parametric data. The optimized material and geometric parameters of the section are predicted by solving the constrained optimal problem using firefly metaheuristics algorithm that employs the developed surrogate model for the function evaluations. The trapezoidal hollow box beam section design with axial functional grading concept is illustrated with combination of aluminium alloy and aluminium with silicon carbide particulates. A good improvement in flutter velocity is noticed by the optimization.
The objectives of this paper include the development of an agile prototype of SFFS, the $CAFL^{VM}$(Computer Aided fabrication of Lamination for Various Material), which is suitable for the multi-item and small-quantity production and various material fabrication. This paper includes remodeling of the layer slices for the 2D cutting, supplementing information of the layer slices and developing process conditions to fabricate products of various shape. And also includes developing control hardware as well as software by enhancing BOF of the manipulator to 3 degree for the precise 2D cutting. It will generate optimal layer trajectory considering the dynamic characteristics of the laser beam. The system can be used as a competitive agile protype system in terms of various materials, fabrication speed, and accuracy by CAD modeling precise layer slicing, material development, robot path control, and optimization of the support structure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.6
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pp.1523-1532
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1990
The objective of this study is to develope an optimized multi-facet drill (MFD). The principal factors that affect drilling performance are its geometry and the cutting conditions. In particular, the helix angle in the total twist angle of the twist drill, affects much morgen influence on the dynamic and static stiffness and on determining the characteristics of the chip disposal capacity of the drill. In this study, considering the helix angle as a major parameter, the model was developed. From this model, the deformation of transverse direction was simulated with the bending forces applied. The performance of a drill largely depends upon drilling forces. Comprehensive models for predicating the drilling thrust and torque are developed for the different drill geometries. The effects of MFD geometric parameters on thrust and torque are also deduced from the prediction models, from which an optimal drill geometry is found with the emphasis on minimum drilling forces.
So, Yoon-Sub;Hur, Man-Dae;Kim, Jae-Young;Kang, Ji-Woo;Lee, Hong-Bum;Lee, Jae-Yeol;Lee, Jong-Hyung;Ro, Seung-Hoon
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.13
no.1
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pp.15-22
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2010
This paper was originated to set up a test equipment and to obtain the proper installation condition of the plastic damper for the hydraulic clutch control system. Performance tests with different specifications have been applied to the damper to investigate the workability and the vibration characteristics of each case, and the result was utilized into the system simulation for the optimal condition for the damper. The procedure has been developed to set up a damper test system to analyze the dynamic properties and the operation of the system, and further to setup a simulation program for the realistic situations. The result can also be applied to the dampers and the clutch systems to be developed in the future for the property tests and the optimization of the installation conditions.
Length of a vehicle is an important variation to generate different variants of an automotive platform. This parameter is usually adjusted by embedding dimensional flexibility into different components of the Body in White (BIW) including the floor pan. Due to future uncertainties, it is not necessarily possible to define certain values of wheelbase for the future products of a platform. This work is performed to add flexibility into the design process of a length-variable floor pan. By means of this analysis, the cost and time consuming process of optimization is not necessary to be performed for designing the different variants of a product family. Stiffness and mass of the floor pan are two important functional requirements of this component which directly affect the occupant comfort, dynamic characteristics, fuel economy and environmental protection of the vehicle. A combination of Genetic algorithm, GMDH-type of artificial neural networks and TOPSIS methods is used to optimally design the floor pan associated with arbitrary length of the variant in the defined system range. The correlation between the optimal results shows that for a constant mass of the floor pan, the first natural frequency decreases by increasing the length of this component.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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