The present paper studies the variation of the natural frequencies and mode shapes of rectangular plates carrying a three degree-of-freedom spring-mass system (subsystem), when the subsystem changes (stiffness, mass, moment of inertia, location). An analytical approach based on Lagrange multipliers as well as a finite element formulation are employed and compared. Numerically reliable results are presented for the first time, illustrating the convenience of using the present analytical method which requires only the solution of a linear eigenvalue problem. Results obtained through the variation of the mass, stiffness and moment of inertia of the 3-DOF system can be understood under the effective mass concept or Rayleigh's statement. The analysis of frequency values of the whole system, when the 3-DOF system approaches or moves away from the center, shows that the variations depend on each particular mode of vibration. When the 3-DOF system is placed in the center of the plate, "new" modes are found to be a combination of the subsystem's modes (two rotations, traslation) and the bare plate's modes that possess the same symmetry. This situation no longer exists as the 3-DOF system moves away from the center of the plate, since different bare plate's modes enable distinct motions of the 3-DOF system contributing differently to the "new' modes as its location is modified. Also the natural frequencies of the compound system are nearly uncoupled have been calculated by means of a first order eigenvalue perturbation analysis.
Many vibrating mechanical systems from the real life are modeled as combined dynamical systems consisting of beams to which spring-mass secondary systems are attached. In most of the publications on this topic, masses of the helical springs are neglected. In a paper (Cha et al. 2008) published recently, the eigencharacteristics of an arbitrary supported Bernoulli-Euler beam with multiple in-span helical spring-mass systems were determined via the solution of the established eigenvalue problem, where the springs were modeled as axially vibrating rods. In the present article, the authors used the assumed modes method in the usual sense and obtained the equations of motion from Lagrange Equations and arrived at a generalized eigenvalue problem after applying a Galerkin procedure. The aim of the present paper is simply to show that one can arrive at the corresponding generalized eigenvalue problem by following a quite different way, namely, by using the so-called "characteristic force" method. Further, parametric investigations are carried out for two representative types of supporting conditions of the bending beam.
We present a piezoelectric energy harvester with stopper-engaged dynamic magnifier which is capable of significantly increasing the operating bandwidth and the energy (power) harvested from a broad range of low frequency vibrations (<30 Hz). It uses a mass-loaded polymer beam (primary spring-mass system) that works as a dynamic magnifier for another mass-loaded piezoelectric beam (secondary spring-mass system) clamped on primary mass, constituting a two-degree-of-freedom (2-DOF) system. Use of polymer (polycarbonate) as the primary beam allows the harvester not only to respond to low frequency vibrations but also generates high impulsive force while the primary mass engages the base stopper. Upon excitation, the dynamic magnifier causes mechanical impact on the base stopper and transfers a secondary shock (in the form of impulsive force) to the energy harvesting element resulting in an increased strain in it and triggers nonlinear frequency up-conversion mechanism. Therefore, it generates almost four times larger average power and exhibits over 250% wider half-power bandwidth than those of its conventional 2-DOF counterpart (without stopper). Experimental results indicate that the proposed device is highly applicable to vibration energy harvesting in automobiles.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.2
no.2
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pp.144-155
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2004
This paper addresses the issue of position control of a chain of multiple mass-spring-damper (CMMSD) units which can be found in many physical systems. The dynamic model of a CMMSD system with any degrees of freedom is expressed in a closed-form for the convenience of the controller design. Backstepping and model reference adaptive control (MRAC) approaches are then used to develop two adaptive output feedback controllers to control the position of a CMMSD system. The proposed controllers rely on the measurements of the input (force) and the output (position of the mass unit at the end of the chain) of the system without the knowledge of its parameters and internal states. Simulations are used to verify the effectiveness of the controllers
This paper deals with the behavior of fresh concrete that is under vibration using mass-spring model (MSM). To this end, behaviors of two different full scale precast concrete molds were investigated experimentally and theoretically. Experiments were performed under vibration with the use of a computer-based data acquisition system. Transducers were used to measure time-dependent lateral displacements at some points on mold while mold is empty and full of fresh concrete. Analytical modeling of molds used in experiments were prepared by three dimensional finite element method (3D FEM) using software. Modeling of full mold, using MSM, was made to solve the problem of dynamic interaction between fresh concrete and mold. Numerical displacement histories obtained from time history analysis were compared with experimental results. The comparisons show that the measured and computed results are compatible.
A simple mechanical model is proposed to demonstrate qualitatively the pancake progressive collapse of multi-storey structures. The impact between two collapsed storeys is simulated using a simple algorithm that builds on virtual mass-spring-damper system. To analyze various collapse modes, columns and beams are considered separately. Parametric studies show that the process of progressive collapse involves a large number of complex mechanisms. However, the proposed model provides a simple numerical tool to assess the overall behavior of collapse arising from a few initiating causes. Unique features, such as beam-to-beam connection failure criterion, and beam-to-column connection failure criterion are incorporated into the program. Besides, the criterion of local failure of structural members can also be easily incorporated into the proposed model.
A fast and stable deformation model is essential for realistic simulation of image morphing. In order to stabilize deformation, we used two internal thin plate mass-spring systems that compute the displacements of the x- and y-components of all nodes on the mesh. The deformation results are globally smoother and more stable due to the direction limitation of thin plate mass-spring systems. One-to-one deformation is one of the important issues in image morphing. We focus on fast removing overlaps in the process of deformation. To rapidly remove overlaps, the external forces are set automatically on four or eight neighboring nodes. The speed of removing overlaps is faster when external forces are set on four or eight neighbouring nodes than when on two neighbouring nodes.
This research is aimed to design and analyze the performance of double dynamic vibration absorber (DVA) using a pendulum and a spring-mass type absorber for reducing vibration of two-DOF vibration system. The conventional fixed-points method and genetics algorithm (GA) optimization procedure are utilized in designing the optimal parameter of DVA. The frequency and damping ratio are optimized to determine the optimal absorber parameters. The simulation results show that GA optimization procedure is more effective in designing the double DVA in comparison to the fixed-points method. The experimental study is conducted to verify the numerical result.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1996.04a
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pp.289-293
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1996
Vibration absorber is used to protect the primary system from steady-state harmonic disturbance. By attaching the absorber to the primary system which is modeled as a SDOF system, the new system becomes two DOF system. Depending on the driving frequency on the original system, the absorber needs to be carefully tuned, that is, to choose adequate value of the absorber mass and stiffness, so that the motion of the original mass is a minimum. This paper presents the effects of resonance frequency ratio and of vibration absorber with oil damper and coil spring for linear damped primary systems.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.24
no.1
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pp.112-118
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2000
A modified repetitive control is formulated and analyzed in the discrete-time domain. Sufficient conditions for the stability of a class of repetitive controllers are given by means of the regeneration spectrum method. When a periodic signal input is drived into the two-mass-spring plant, the performance of the proposed controller which comprises a low-pass filter and two feed-forward compensators, turns out highly accurate by comparing the tracking result from the conventional LQ controller.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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