The attitude motion of a spin-stabilized, upper-stage spacecraft is investigated based on a two-body model, consisting of a symmetric body, representing the spacecraft, and a spherical pendulum, representing the liquid slag pool entrapped in the aft section of the rocket motor. Exact time-varying nonlinear equations are derived and used to eliminate the drawbacks of conventional linear models. To study the stability of the spacecraft's attitude motion, both the spacecraft and pendulum are assumed to be in states of steady spin about the symmetry axis of the spacecraft and the coupled time-varying nonlinear equation of the pendulum is simplified. A quasi-stationary solution to that equation and approximate resonance conditions are determined in terms of the system parameters. The analysis shows that the pendulum is subject to a combination of parametric and external-type excitation by the main body and that energy from the excited pendulum is fed into the main body to develop the coning instability. In this paper, numerical examples are presented to explain the mechanism of the coning angle growth and how angular momenta and disturbance moments are generated.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.53
no.5
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pp.343-352
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2016
In this study, a pre-swirl duct for the 180,000 DWT bulk carrier has been designed from a propulsion standpoint using CFD. The stern duct - designed by NMRI - was selected as the initial duct. The objective function is to minimize the value of delivered power in model scale. Design variables of the duct include duct angle, diameter, chord length, and vertical and horizontal displacements from the center. Design variables of the stators are blade number, arrangement angle, chord length, and pitch angle. A parametric design was carried out with the objective function obtained using CFD. Reynolds averaged Navier-Stokes equations have been solved; and the Reynolds stress model applied for the turbulent closure. A double body model is used for the treatment of free-surface. MRF and sliding mesh models have been applied to simulate the actuating propeller. A self-propulsion point has been obtained from the results of towing and self-propelled computations, i.e., form factor obtained from towing computation and towing forces obtained from self-propelled computations of two propeller rotating speeds. The reduction rate of the delivered power of the improved stern duct is 2.9%, whereas that of the initial stern duct is 1.3%. The pre-swirl duct with one inner stator in upper starboard and three outer stators in portside has been designed. The delivered power due to the designed pre-swirl duct is reduced by 5.8%.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.37
no.4
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pp.392-398
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2009
Theoretical thrust equations for the diverse nozzle expansion condition were derived. By using the obtained thrust equations, parametric studies were carried out to estimate the effect of pressure exponent, minimum operation pressure, ambient pressure and extinguishment pressure on thrust modulation performance in pintle-nozzle solid rocket motors. Analysis results showed that thrust turndown ratio can be easily attained by small nozzle-throat area variation at high pressure exponent, low minimum operation pressure, high ambient pressure and high extinguishment pressure condition. At those conditions, the highest chamber pressure to obtain the intended thrust turndown ratio can be minimized.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2010.10a
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pp.101-109
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2010
This paper reports active control of clamped beams using acceleration feedback controllers (AF). The equations of motion of clamped beam under force and moment pairs were derived and the equations of AF controllers were formulated. The effect of the parameters - gain and damping ratio - of the AF controllers on the open loop transfer function was investigated mainly in terms of the system stability. Increasing the gain of the AF controller tuned at a mode, the magnitude of the open loop transfer function is increased at all frequencies. The increase of the damping ratio of the AF controller leads to decrease the magnitude of the open loop transfer function and modifies its phase characteristics to be more stable. Three AF controllers connected in parallel were then proposed. Each AF controller is tuned at the $2^{nd}$, $3^{rd}$ and $4^{th}$ modes, respectively. Their parameters were determined to remain the system to be stable based on the results of the parametric study. A significant reduction in vibration at the 3 modes can be obtained.
A parametric study on the shapes of bobsleigh bumpers has been performed to reduce the aerodynamic drag. Effects of geometric parameters, such as leading angle of leading bumper, the ratio of minimum width to maximum width of leading bumper, the ratio of leading bumper length to trailing bumper length, trailing angle of trailing bumper, and the ratio of bumper height to installation location of bumper from the bottom of bobsleigh, on the aerodynamic performance of the bobsleigh were estimated using 3-D Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The turbulence was analyzed using the shear stress turbulence model. Reynolds number based on the hydraulic diameter of the external flow channel was in the range of 150,000~1,000,000. Numerical results for drag coefficient were validated compared to experimental data. Ranges of the five geometric parameters were determined according to the rule of Federation Internationale de Bobsleigh et de Tobaganning. The aerodynamic performance of the bobsleigh sled was most sensitive to the leading angle of leading bumper and the ratio of minimum width to maximum width of leading bumper.
Cao, Geng;Zhu, Ming X.;Gong, Wei M.;Wang, Xiao;Dai, Guo L.
Geomechanics and Engineering
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v.23
no.3
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pp.275-287
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2020
Rectangular barrettes have been increasingly used as foundations for many infrastructure projects, but the vertical vibration of a barrette has been rarely addressed theoretically. This paper presents an analysis method of dynamic response for a rectangular barrette subjected to a time-harmonic vertical force with the aid of a modified Vlasov foundation model in multilayered viscoelastic soil. The barrette-soil system is modeled as a continuum, the vertical continuous displacement model for the barrette and soil is proposed. The governing equations of the barrette-soil system and the boundary conditions are obtained and the vertical shaft resistance of barrette is established by employing Hamilton's principle for the system and thin layer element, respectively. The physical meaning of the governing equations and shaft resistance is interpreted. The iterative solution algorithm flow is proposed to obtain the dynamic response of barrette. Good agreement of the analysis and comparison confirms the correctness of the present solution. A parametric study is further used to demonstrate the effects of cross section aspect ratio of barrettes, depth of soil column, and module ratio of substratum to the upper soil layers on the complex barrette-head stiffness and the resistance stiffness.
In this study, a parametric study of a centrifugal pump with double volute has been performed numerically using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The shear stress transport model was selected as turbulence closure through turbulence model test. The finite volume method and unstructured grid system were used for the numerical analysis. The optimal grid system in the computational domain was determined through a grid dependency test. The expansion coefficient, circumferential and radial starting positions and length of divider were selected as the geometric parameters to be tested. And, the hydraulic efficiency and the radial thrust coefficient were considered as performance parameters. It was found that the radial thrust and hydrualic efficiency are more sensitive to the expansion angle and circumferential starting position of the divider than the other geometrical parameters.
Ouakad, Hassen M.;Sedighi, Hamid M.;Al-Qahtani, Hussain M.
Advances in nano research
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v.8
no.3
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pp.245-254
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2020
This work examines the fundamental vibrational characteristics of a spinning CNT-based nano-rotor assuming a nonlocal elasticity Euler-Bernoulli beam theory. The rotary inertia, gyroscopic, and rotor mass unbalance effects are all taken into consideration in the beam model. Assuming a nonlocal theory, two coupled 6th-order partial differential equations governing the vibration of the rotating SWCNT are first derived. In order to acquire the natural frequencies and dynamic response of the nano-rotor system, the nonlinear equations of motion are numerically solved. The nano-rotor system frequency spectrum is shown to exhibit two distinct frequencies: one positive and one negative. The positive frequency is known as to represent the forward whirling mode, whereas the negative characterizes the backward mode. First, the results obtained within the framework of this numerical study are compared with few existing data (i.e., molecular dynamics) and showed an overall acceptable agreement. Then, a thorough and detailed parametric study is carried out to study the effect of several parameters on the nano-rotor frequencies such as: the nanotube radius, the input angular velocity and the small scale parameters. It is shown that the vibration characteristics of a spinning SWCNT are significantly influenced when these parameters are changed.
In this paper, we first present a method for finding the implicit equation of the curve given by rational parametric equations. The method is based on the computation of $Gr\"{o}bner$ bases. Then, another method for implicitization of curve and surface is given. In the case of rational curves, the method proceeds via giving the implicit polynomial f with indeterminate coefficients, substituting the rational expressions for the given curve and surface into the implicit polynomial to yield a rational expression $\frac{g}{h}$ in the parameters. Equating coefficients of g in terms of parameters to 0 to get a system of linear equations in the indeterminate coefficients of polynomial f, and finally solving the linear system, we get all the coefficients of f, and thus we obtain the corresponding implicit equation. In the case of polynomial surfaces, we can similarly as in the case of rational curves obtain its implicit equation. This method is based on characteristic set theory. Some examples will show that our methods are efficient.
In this paper mechanical behavior of the functional gradient materials (FGM) micro-gripper under thermal load and DC voltage is numerically investigated taking into account the effect of intermolecular forces. In contrary to the similar previous works, which have been conducted for homogenous material, here, the FGM material has been implemented. It is assumed that the FGM micro-gripper is made of metal and ceramic and that material properties are changed continuously along the beam thickness according to a given function. The nonlinear governing equations of the static and dynamic deflection of microbeams have been derived using the coupled stress theory. The equations have been solved using the Galerkin based step-by-step linearization method (SSLM). The solution procedure has been evaluated against available data of literature showing good agreement. A parametric study has been conducted, focusing on the combined effects of important parameters included DC voltage, temperature variation, geometrical dimensions and ceramic volume concentration on the dynamic response and stability of the FGM micro-gripper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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