In this study, optimal distribution of springs which supports a cantilever beam is investigated to minimize two objective functions defined. The optimal size and location of the springs are ascertained to minimize the tip deflection of the cantilever beam. Afterwards, the optimization problem of springs is set up to minimize the tip absolute acceleration of the beam. The Fourier Transform is applied on the equation of motion and the response of the structure is defined in terms of transfer functions. By using any structural mode, the proposed method is applied to find optimal stiffness and location of springs which supports a cantilever beam. The stiffness coefficients of springs are chosen as the design variables. There is an active constraint on the sum of the stiffness coefficients and there are passive constraints on the upper and lower bounds of the stiffness coefficients. Optimality criteria are derived by using the Lagrange Multipliers. Gradient information required for solution of the optimization problem is analytically derived. Optimal designs obtained are compared with the uniform design in terms of frequency responses and time response. Numerical results show that the proposed method is considerably effective to determine optimal stiffness coefficients and locations of the springs.
This paper proposes an optimal design method of a seismic reinforcement system for the seismic performance of adjacent asymmetric-stiffness structures with viscous dampers. The first method considers plan asymmetry for efficient seismic reinforcement, and evaluates the seismic performance of optimal design applied to two cases of modeling: adjacent stiffness-asymmetric structures and adjacent stiffness-symmetric structures. The second method considers the response of asymmetric structures to derive the optimal objective function, and evaluates seismic efficiency of the objective function applied to two cases of responses: horizontal displacement and torsion. Numerical analyses are conducted on 7- and 10-story structures with a uni-asymmetric-stiffness plan using six cases of historic earthquakes, normalized to 0.4g. The results indicate that the seismic performance is excellent as modeled by adjacent asymmetric-stiffness structures and how much horizontal displacement is applied as the objective function.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.6
no.2
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pp.181-189
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2000
This paper presents the optimal redundant actuation of parallel manipulators for complicated robotic applications such as cutting grinding drilling and digging that require a high degree of operational stiffness as well as the balance between force applicability and dexterity. First by taking into account the distribution(number and location) of active joints the statics and the operational stiffness of a redundant parallel manipulator are formulated and the effects of actuation redundancy are analyzed, Second for given task requirements including joint torque limit task force maximum allowable disturbance and maximum allowable deflection the task execution conditions of a redundant parallel manipulator are derived and the efficient testing formulas are provided. Third to achieve high operational stiffness while maintaining moderate dexterity the redundant actuation of a parallel manipulator is optimized which determines the optimal distribution of active joints and the optimal internal joint torque, Finally the simulation results for the optimal redundant actuation of a planar parallel manipulator are given.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.35
no.9
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pp.183-190
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2019
This paper intended to propose the optimal outrigger position in tall building. For this purpose, a schematic structure design of 70 stories building was accomplished by using MIDAS-Gen. In this analysis research, the key variables were the stiffness of outrigger, the stiffness of frame, the stiffness of shear wall, the stiffness of exterior column connected in outrigger and the outrigger location in height. With the intention of looking for the optimum location of outrigger system in high-rise building, we investigated the lateral displacement in top floor. The study proposed the new method to predict the optimal location of outrigger system considering the frame stiffness. And it is verified that the paper results can be helpful in providing the important engineering materials for finding out the optimum outrigger position in tall building.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.5
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pp.37-47
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2019
The study purposed to investigate the optimal location of core and offset outrigger system considering floor diaphragm. To accomplish this aim, a structure design of 70 stories building was performed by using MIDAS-Gen. And the leading factors of the analysis research were the slab stiffness, the stiffness of shear wall and the outrigger position in plan. Based on the analysis results, we analyzed and studied the influences of the shear wall stiffness and the slab stiffness on optimal location of core and offset outrigger considering floor diaphragm. The results of the analysis study indicated whether the slab stiffness, the stiffness of shear wall and the outrigger position in plan had an any impact on optimal location in outrigger system of tall building. Also the paper results can give help in getting the structural engineering materials for looking for the optimal position of outrigger system in the high-rise building.
Objective: The human body is often modelled as a spring-mass system. Lower extremity stiffness has been considered to be one of key factor in the performance enhancement of running, jumping, and hopping involved sports activities. There are several different classification of lower extremity stiffness consisting of vertical stiffness, leg stiffness, joint stiffness, as well as muscle and tendon stiffness. The primary purpose of this paper was to review the literature and describe different stiffness models and discuss applications of stiffness models while engaging in sports activities. In addition, this paper provided a current update of the lower extremity literature as it investigates the relationships between lower extremity stiffness and both functional performance and injury. Summary: Because various methods for measuring lower extremity stiffness are existing, measurements should always be accompanied by a detailed description including type of stiffness, testing method and calculation method. Moreover, investigator should be cautious when comparing lower extremity stiffness from different methods. Some evidence highlights that optimal degree of lower extremity stiffness is required for successful athletic performance. However, the actual magnitude of stiffness required to optimize performance is relatively unexplored. Direct relationship between lower extremity stiffness and lower extremity injuries has not clearly been established yet. Overall, high stiffness is potentially associate risk factors of lower extremity injuries although some of the evidence is controversial. Prospective injures studies are necessary to confirm this relationship. Moreover, further biomechanical and physiological investigation is needed to identify the optimal regulation of the lower limb stiffness behavior and its impact on athletic performance and lower limb injuries.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.3
no.6
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pp.96-111
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1995
A bellows is a component installed in the automobile exhaust system to reduce the impact from an engine. It's stiffness has a great influence on the natural frequency of the system. Therefore, it must be designed to keep the specified stiffness that requires in the system. This study present the finite element analysis of U-typed bellows using a curved conical frustum element and the shape optimal design with specified stiffness. The finite element analysis is verified by comparing with the experimental results. In the shape optimal design, the weight is considered as the cost function. The specified stiffness from the system design is transformed to equality constraints. The formulation has inequality constraints imposed on the fatigue limit, the natural frequencies, the buckling load and the manufacturing conditions. A procedure for shape optimization adopts a thickness, a corrugation radius, and a length of annular plate as optimal design variables. The external loading conditions include the axial and lateral loads with a boundary condition fixed at an end of the bellows. The recursive quadratic programming algorithm is selected to solve the problem. The result are compared with the existing bellows, and the characteristics of the bellows is investigated through the optimal design process. The optimized shape of the bellows are expected to give quite a good guideline to the practical design.
A multi-objective optimization technique was implemented to obtain optimal topologies of the inner reinforcement for a vehicle's hood simultaneously considering the static stiffness of bending and torsion and natural frequency. In addition, a smoothing scheme was used to suppress the checkerboard patterns in the ESO method. Two models with different curvature were chosen in order to investigate the effect of curvature on the static stiffness and natural frequency of the inner reinforcement. A scale factor was employed to properly reflect the effect of each objective function. From several combinations of weighting factors, a Pareto-optimal topology solution was obtained. As the weighting factor for the elastic strain efficiency went from 1 to 0, the optimal topologies transmitted from the optimal topology of a static stiffness problem to that of a natural frequency problem. It was also found that the higher curvature model had a larger static stiffness and natural frequency than the lower curvature model. From the results, it is concluded that the ESO method with a smoothing scheme was effectively applied to topology optimization of the inner reinforcement of a vehicle's hood.
This paper presents an optimal pattern for distributing stiffness along a framed tube structure through an analytic equation, which may be used during the preliminary design stage. Most studies in this field are computationally intensive and time consuming, while a hand-calculation method, as presented here, is a more suitable tool for sensitivity analyses and parametric studies. Approach in development of the analytic model is to minimize the mean compliance (external work) for a given volume of material. A variational statement of the problem is made, and a specified deformation-profile is obtained as the necessary condition for a minimum; enforcing this condition, stiffness is then computed. Due to some near-zero values for stiffness, the problem is modified by considering a lower bound constraint. To deal with this constraint, the design domain is assumed to be divided into two zones of constant stiffness and constant curvature; and the problem is restated in terms of these concepts. It will be shown that this methodology allows for easy computation of stiffness through an analytic and dimensionless equation, valid in any system of units. To show practicality of the proposed method, a tubed-system structure with uniform stiffness distribution is redesigned using the proposed model. Comparative analyses of the results reveal that in addition to simplicity of the proposed method, it provides a rather high degree of accuracy for real-world problems.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.12
no.6
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pp.167-174
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2013
High speed rotor systems with magnetic bearings have been the subject of much research in recent years due to the potential for active vibration control. In this thesis, optimal design was conducted for an 8-pole heteropolar magnetic bearing used in the flexible rotor of a turbo blower. In connection with bearing stiffness, this optimal design process was conducted using a genetic algorithm(GA), which is based on natural selection and genetics. The maximum stiffness of the magnetic bearing-rotor was found by considering the critical speeds of the flexible rotor. As a result, the magnetic bearings were optimized to have maximum stiffness.
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