This work investigates the mechanical energy harvesting from smart and adaptive devices using magnetic interactions. The energy harvester is built from an elastic beam connected to an electric circuit by a magnetostrictive material that promotes energy transduction. Besides, magnetic interactions define the system stability characterizing multistable configurations. The adaptiveness is provided by magnets that can change their position with respect to the beam, changing the system configuration. A mathematical model is proposed considering a novel model to describe magnetic interactions based on the single-point magnet dipole method, but employing multiple points to represent the magnetic dipole, which is more effective to match experimental data. The adaptive behavior allows one to alter the system stability and therefore, its dynamical response. A nonlinear dynamics analysis is performed showing the possibilities to enhance energy harvesting capacity from the magnet position change. The strategy is to perform a system dynamical characterization and afterward, alter the energetic barrier according to the environmental energy sources. Results show interesting conditions where energy harvesting capacity is dramatically increased by changing the system characteristics.
Gloimuller, Stefan;de Borst, Karin;Bader, Thomas K.;Eberhardsteiner, Josef
Interaction and multiscale mechanics
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v.5
no.3
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pp.229-265
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2012
Hygroexpansion of wood is a known and undesired characteristic in civil engineering. When wood is exposed to changing environmental humidity, it adsorbs or desorbs moisture and warps. The resulting distortions or - at restrained conditions - cracks are a major concern in timber engineering. We herein present a multiscale model for prediction of the macroscopic hygroexpansion behavior of individual pieces of softwood from their microstructure, demonstrated for spruce. By applying poromicromechanics, we establish a link between the swelling pressure, driving the hygroexpansion of wood at the nanoscale, and the resulting macroscopic dimensional changes. The model comprises six homogenization steps, which are performed by means of continuum micromechanics, the unit cell method and laminate theory, all formulated in a poromechanical framework. Model predictions for elastic properties of wood as functions of the moisture content closely approach corresponding experimental data. As for the hygroexpansion behavior, the swelling pressure has to be back-calculated from macroscopic hygroexpansion data. The good reproduction of the anisotropy of wood hygroexpansion, based on only a single scalar calibration parameter, underlines the suitability of the model. The multiscale model constitutes a valuable tool for studying the effect of microstructural features on the macroscopic behavior and for assessing the hygroexpansion behavior at smaller length scales, which are inaccessible to experiments. The model predictions deliver input parameters for the analysis of timber at the structural scale, therewith enabling to optimize the use of timber and to prevent moisture-induced damage or failure.
Kim, Hyun-Sil;Kim, Bong-Ki;Kim, Sang-Ryul;Seo, Yun-Ho;Ma, Pyung-Sik
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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v.36
no.5
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pp.305-313
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2017
In this paper, sound absorption of thin elastic plates installed in a rigid duct is discussed using an analytic method. The number of plates can be one or two, and each plate might have micro-perforation. Vibration of the plates and sound pressure fields inside the duct and air cavity are expressed in terms of an infinite series of modal functions. Under the plane wave assumption, a low frequency approximation is derived by including the first few plate modes. It is found that the sound absorption coefficient of the plates without micro-perforation shows sharp peaks at resonance frequencies, and due to the interaction between the plates and air cavity, the resonance frequencies move as the cavity depth changes. For the case of micro-perforated plates, it is found that the sound absorption is mainly affected by the perforation ratio. When the perforation ratio is order of few percent, the sound absorption is almost independent of plate vibration.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.12
no.3
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pp.116-129
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2000
The interaction of incident monochromatic waves with a tensioned, flexible, circular membrane submerged horizontally below free surface is investigated in the frame of three-dimensional linear hydro-elastic theory. The velocity potential is split into two parts i.e. the diffraction potential representing the scattering of incident waves by a rigid circular disk and the radiation potential describing motion induced waves by elastic responses of flexible membrane. The fluid domain is divided into three regions, and the diffraction and radiation potentials in each region are expressed by the Fourier Bessel series. The displacement of circular membrane is expanded with a set of natural functions, which satisfy the membrane equation of motion and boundary conditions. The unknown coefficients in each region are determined by applying the continuity of pressure and normal velocity at the matching boundaries. The results show that various types of wave focusing are possible by controlling the size, submergence depth, and tension of membrane.
This paper presented solutions of displacement and stress for a circular opening which is reinforced with grouted rock bolt. It satisfies the Mohr-Coulomb (M-C) or generalized Hoek-Brown (H-B) failure criterion, and exhibits elastic-brittle-plastic or strain-softening behavior. The numerical stepwise produce for strain-softening rock mass reinforced with grouted rock bolt was developed with non-associative flow rules and two segments piecewise linear functions related to a principle strain-dependent plastic parameter, to model the transition from peak to residual strength. Three models of the interaction mechanism between grouted rock bolt and surrounding rock proposed by Fahimifar and Soroush (2005) were adopted. Based on the axial symmetrical plane strain assumption, the theoretical solution of the displacement and stress were proposed for a circular tunnel excavated in elastic-brittle-plastic and strain-softening rock mass compatible with M-C or generalized H-B failure criterion, which is reinforced with grouted rock bolt. It showed that Fahimifar and Soroush's (2005) solution is a special case of the proposed solution for n = 0.5. Further, the proposed method is validated through example comparison calculated by MATLAB programming. Meanwhile, some particular examples for M-C or generalized H-B failure criterion have been conducted, and parametric studies were carried out to highlight the influence of different parameters (e.g., the very good, average and very poor rock mass). The results showed that, stress field in plastic region of surrounding rock with considering the supporting effectiveness of the grouted rock bolt is more than that without considering the effectiveness of the grouted rock bolt, and the convergence and plastic radius are reduced.
Aiming at the mechanical and structural characteristics of the contact zone composite rock, the shear tests and numerical studies were carried out. The effects of the differences in mechanical properties of different materials and the normal stress on shear properties of contact zone composite samples were analyzed from a macro-meso level. The results show that the composite samples have high shear strength, and the interface of different materials has strong adhesion. The differences in mechanical properties of materials weakens the shear strength and increase the shear brittleness of the sample, while normal stress will inhibit these effect. Under low/high normal stress, the sample show two failure modes, at the meso-damage level: elastic-shearing-frictional sliding and elastic-extrusion wear. This is mainly controlled by the contact and friction state of the material after damage. The secondary failure of undulating structure under normal-shear stress is the nature of extrusion wear, which is positively correlated to the normal stress and the degree of difference in mechanical properties of different materials. The increase of the mechanical difference of the sample will enhance the shear brittleness under lower normal stress and the shear interaction under higher normal stress.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.41
no.6
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pp.75-83
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2004
Ice rubble pieces broken by the bow impact load and side hull of an icebreaking vessel usually pass along the ship's bottom hull and may hit the propeller/rudder or other stern structures causing serious damage to ship's hull . Therefore it is important to estimate the size of broken ice pieces during the icebreaking process. The dynamic interaction process of icebreaker with infinite ice sheet is simplified as a wedge type beam of finite length supported by elastic foundation. The wedge type ice beam is leaded with vertical impact forces due to the inclined bow stem of icebreaking vessels. The numerical model provides locations of maximum dynamic bending moment where extreme tensile stress arises and also possible fracture occurs. The model can predict a failure length of broken ice sheet given design parameters. The results are compared to Nevel(1961)'s analytical solution for static load and observed pattern of ice sheet failure onboard an icebreaker. Also by comparing computed failure length with the characteristic length, the meaning of ice rubble sizes is discussed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.2
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pp.103-112
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1990
This study examines the characteristics of soil behavior which includes many uncertainties in seismic design, evaluates the dynamic soil properties and studies the soil-structure interaction to generalize the applicability and economy of the available sites. An example analysis is performed for soil-structure system response assuming a containment structure built on site which includes soil layers using both elastic halfspace analysis and FEM analysis against the seismic loads from the actual design. This exercise is performed as a part of the safety analysis and economic assessment of the nuclear power plant built on soils. It includes the preparation of computer program capable of incorporating large nonlinearity in the analysis, resonable evaluation procedures to determine input soil data. Nonlinear FEM analysis of Seed and Idriss model is found suitable for the accurate analysis of dynamic response of soils. Linear FEM analysis using dynamic soil properties at strain level obtained by one-dimensional seismic response, and elastic half-space analysis using dynamic soil properties at strain level under static loads are recommended to evaluate the dynamic soil properties.
Among various construction methods, deep soil stabilization by chemical method have been widely used in order to improve soft ground. Dynamic variables using ground(such as sand, weathered granite soil and rock) -structure interaction design affected by dynamic load and cyclic load were studied a lot. However, there is something yet to learn about earthquake resistant design regarding reinforced ground by grout. Therefore, in this study using RC test, the correlation between shear strain and shear modulus with change of water content and injection rate in normal portland cement and clay was compared and analyzed by using Ramberg-Osgood model normalization As the result, dynamic coefficient was considerably affected by water content and grout injection rate.
Flexural rigidity(EI) and deflection characteristics of rice stalks were studied to investigate the mechanical interaction between a rice stalk and a combine reel in harvesting. Deflection of a rice stalk caused by reel operation is so large that conventional equation of small deflection fer elastic beam cannot be applied to the study of deflection characteristics. Therefore, an equation of large deflection for elastic beam was introduced in this study. Feasibility of this equation was examined by comparing theoretical calculation with the measured results for piano wire, and by the relationship between deflection and load acting on a rice stalk which was presumed by this equation. Results showed that the large deflection equation could predict the measurement data quite well. From this research, the following results were obtained. 1. Flexural rigidity(EI) calculated from the equation of large deflection was 4.0${\times}$l0$^4$N$.$$\textrm{mm}^2$(diameter 1.4mm, deflection 300mm) while the actual EI value of a piano wire(diameter 1.4mm) was 3.9${\times}$10$^4$N$.$$\textrm{mm}^2$. 2. The relationship between deflection and load acting on a rice stalk could be presumed by the large deflection equation. Flexural rigidity values of tested rice stalks calculated from the equation of large deflection were 1.6∼2.4${\times}$ l0$^4$N$.$$\textrm{mm}^2$(Hwa sung), 2.7∼3.5${\times}$ l0$^4$N$.$$\textrm{mm}^2$(Il pum) and 1.7∼2.4${\times}$ l0$^4$N$.$$\textrm{mm}^2$(Damakum)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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