Theoretical analysis is performed on a multi-mode energy harvester design with focus on the first two vibration modes. Based on the analysis, a modification is proposed for designing a novel adaptive multi-mode energy harvester. The device comprises a simply supported beam with distributed mass and piezoelectric elements, and an adaptive damper that provides a 180 degree phase shift for the motions of two supports only at the second vibration mode. Theoretical analysis and numerical simulations show that the new design can efficiently scavenge energy at the first two vibration modes. The energy harvesting capability of the multi-mode energy harvester is also compared with that of a cantilever-based energy harvester for single-mode vibration. The results show that the energy harvesting capacity is affected by the damping ratios of different designs. For fixed damping ratio and design dimensions, the multi-mode design has higher energy harvesting capacity than the cantilever-based design.
This study offers a design procedure of optimum cable damper for multi-mode vibration control with nonlinear damper and also investigates the relation between mode and amplitude dependency. The proposed multi-mode damping index, which is defined as a potential energy loss ratio of cable vibration, is a main component of optimization problem of optimum nonlinear damper. In order to include the amplitude dependency of nonlinear damper, three types of multi-mode patterns such as ambient vibration, support excitation and rain-wind induced vibration are assumed. The optimum damper exponent depends on amplitude patterns. In case of ambient vibration, optimum factor is less than 0.5 and in case of support excitation or rain-wind induced vibration it is between 0.5 and 1.0.
This study offers a design procedure of optimum cable damper for multi-mode vibration control with nonlinear damper and also investigate the relation between mode and amplitude dependency. The proposed multi-mode damping index, which is defined as a energy loss ratio of cable potential, is a main component of optimization problem of optimum nonlinear damper. In order to include the amplitude dependency of nonlinear damper, it is assumed to exist three kinds of multi-mode patterns such as ambient vibration, support excitation and rain-win induced vibration. The optimum damper exponent depends on amplitude patterns. In case of ambient vibration, optimum factor is less than 0.5. In case of support excitation or rain-wind induced vibration is between 0.5 and 1.0. In this study, the effects of cable sag and inclination angle are included in the asymptotic design equation of damped cable structures.
One of the most effective countermeasures for mitigating cable vibration is to install mechanical dampers near the anchorage of the cable. Most of the dampers used in the field are so-called passive dampers where their parameters cannot be changed once designed. The parameters of passive dampers are usually determined based on the optimal damper force obtained from the universal design curve for linear dampers, which will provide a maximum additional damping for the cable. As the optimal damper force is chosen based on a predetermined principal vibration mode, passive dampers will be most effective if cable undergoes single-mode vibration where the vibration mode is the same as the principal mode used in the design. However, in the actual engineering practice, multi-mode vibrations are often observed for cables. Therefore, it is desirable to have dampers that can suppress different modes of cable vibrations simultaneously. In this paper, MR dampers are proposed for controlling multi-mode cable vibrations, because of its ability to change parameters and its adaptability of active control without inquiring large power resources. Although the highly nonlinear feature of the MR material leads to a relatively complex representation of its mathematical model, effective control strategies can still be derived for suppressing multi-mode cable vibrations based on nonlinear modelling, as proposed in this paper. Firstly, the nonlinear Bouc-wen model is employed to accurately portray the salient characteristics of the MR damper. Then, the desired optimal damper force is determined from the universal design curve of friction dampers. Finally, the input voltage (current) of MR damper corresponding to the desired optimal damper force is calculated from the nonlinear Bouc-wen model of the damper using a piecewise linear interpolation scheme. Numerical simulations are carried out to validate the effectiveness of the proposed control algorithm for mitigating multi-mode cable vibrations induced by different external excitations.
In modal analysis, the mode shape reflects the vibration characteristics of the structure, and thus it is widely performed for finite element model updating and structural health monitoring. Generally, the acceleration-based mode shape is suitable to express the characteristics of structures for the translational vibration; however, it is difficult to represent the rotational mode at boundary conditions. A tilt sensor and gyroscope capable of measuring rotational mode are used to analyze the overall behavior of the structure, but extracting its mode shape is the major challenge under the small vibration always. Herein, we conducted a feasibility study on a multi-mode shape estimating approach utilizing a single physical quantity signal. The basic concept of the proposed method is to receive multi-metric dynamic responses from two sensors and obtain mode shapes through bridge loading test with relatively large deformation. In addition, the linear transformation matrix for estimating two mode shapes is derived, and the mode shape based on the gyro sensor data is obtained by acceleration response using ambient vibration. Because the structure's behavior with respect to translational and rotational mode can be confirmed, the proposed method can obtain the total response of the structure considering boundary conditions. To verify the feasibility of the proposed method, we pre-measured dynamic data acquired from five accelerometers and five gyro sensors in a lab-scale test considering bridge structures, and obtained a linear transformation matrix for estimating the multi-mode shapes. In addition, the mode shapes for two physical quantities could be extracted by using only the acceleration data. Finally, the mode shapes estimated by the proposed method were compared with the mode shapes obtained from the two sensors. This study confirmed the applicability of the multi-mode shape estimation approach for accurate damage assessment using multi-dimensional mode shapes of bridge structures, and can be used to evaluate the behavior of structures under ambient vibration.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제13권1호
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pp.163-177
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2021
Numerical simulations of the Vortex-Induced Vibration (VIV) about a large-scale flexible pipe subject to shear flow were carried out in this paper. Efficiency verification was performed firstly, validating that the proposed fluid-structure interaction solution strategy is competent in predicting the VIV response. Then, the VIV characteristics related to multi-mode and spanwise hybrid waveform about the flexible pipe attributed to shear flow were investigated. When inflow velocity rises, higher vibration modes are apt to be excited, and the spanwise waveform easily convertes from a standing-wave-dominated status to a hybrid standing-traveling wave status. The multi-mode or even multiple-dominant-mode is prone to occur, that is, the dominant mode is often followed by several apparent subordinate modes with considerable vibration energy. Hence, the shedding frequencies no longer obey Strouhal law, and vibration trajectories become intricate. According to the motion analysis concerning the coupled cross-flow and in-line vibrations, as well as the corresponding wake patterns, a tight coupling interaction exists between the structural deformation and the wake flow behind the flexible pipe. In addition, the evolution of the vortex tube along the pipe span and a strong 3D effect are observed due to the slenderness of the flexible pipe and the variability of the vortex shedding attributed to the shear flow.
In order to not only perform as a extreme model under the severe operating condition but also acquire more diverse and advanced control capability utilizing high compliance, active vibration control of a flexible 2-link robot manipulator are investigated. Multi variable-structured frequency shaped optimal sliding mode is proposed for the flexible robot manipulator like control system, whose control variables, an angular motion of joint and vibration of flexible link, have to be controlled simultaneously by one control torque at a driving joint. The control system is divided into two subsystems, a control input related subsystem and an added subsystem. The proposed sliding mode, composed of multi control variables, makes optimized relation between subsystems and a individual control input, thus, the sliding mode controller can compensate whole dynamics of each subsystems simultaneously. And the possibility and effectiveness are verified by vibration control of a manipulator having two flexible links. Simulation and experiment results show that the proposed control scheme achieves the purpose effectively.
In this paper, pounding tuned mass dampers (PTMDs) were designed to mitigate the multi-mode vortex-induced vibration (VIV) of stay cable utilizing the viscous-elastic material's energy-dissipated ability. The PTMD device consists of a cantilever metal rod beam, a metal mass block and a specially designed damping element covered with viscous-elastic material layer. Wind-tunnel experiment on VIV of stay cable model was set up to validate the effectiveness of the PTMD on multi-mode VIV mitigation of stay cable. By analyzing and comparing testing results of all testing cases, it could be verified that the PTMD with viscous-elastic pounding boundary can obviously mitigate the VIV amplitude of the stay cable. Moreover, the installed location and the design parameters of the PTMD device based on the controlled modes of the primary stay cable, would have a certain extent suppression on the other modal vibration of the stay cable, which means that the designed PTMDs are effective among a large band of frequency for the multi-mode VIV control of the stay cable.
The current tendency toward light weight and fast machines has lead to a need to suppress vibration of flexible dynamic systems. Input shaping is an efficient tool to eliminate transient and residual vibration caused by motion of these systems. This paper proposes a new formulation of the design method for multi-mode input shapers to eliminate residual vibration in flexible dynamic systems. The essence of the proposed method is to minimize the number of impulses to be n+1 for n-mode input shapers. This paper also suggests a solution procedure to solve the complex-valued nonlinear matrix equation for the input shapers. The proposed method is applied to two-mode input shapers. This paper discusses characteristics of several input shapers obtained under the same condition. Simulations and experiments show that the proposed method is very useful for designing multi-mode input shapers.
This paper discusses the techniques, procedures and the results of the ground vibration test(GVT) performed on the development aircraft and the simple procedure of FE model updating technique from the GVT results. The GVT was carried out using random excitation technique with MIMO(Multi-Input-Multi-Output) data acquistion method, and taking full advantage of poly-reference global parameter estimation technique to identify the vibration modes. In dynamic FE modeling, the aircraft was represented by beam elements and all dynamic analysis was performed using MSC/NASTRAN for this model. In updating procedure, the stiffness of the beam model was adjusted iteratively so as to get the natural frequencies and mode shapes close to the GVT results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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