Torque Angle Loop Analysis of Synchronous Machines

This paper reports the dynamic stability analysis of a single machine infinite bus system through torque angle loop analysis and forms an extension of the work on Block diagrams and torque angle loop analysis of synchronous machines reported by I. Nagy [3]. It aims to incorporate in the machine model, the damper windings (one on each axis) and to compare the dynamic behaviour of the system with and without damper windings. The effect of using different stabilizing signals (viz. active power and speed deviations) on the dynamic performance is analysed and the significant effect of damper windings on the dynamic behaviour of the system is highlighted.

Magnetic field induced tailoring of mechanical behavior of fluid filled micro porous carbon nanotube foam

Compressive loading of the carbon nanotube (CNT) has attracted much attention due to its entangled cellular like structure (CNT foam). This report investigates the mechanical behavior of magnetorheological fluid impregnated micro porous CNT foam that has not been realized before at this scale. Compressive behavior of CNT foam is found to greatly depend on the variation in both fluid viscosity as well as magnetic field intensity. Moreover, maximum achieved stress and energy absorption in CNT foam followed a power law behavior with the magnetic field intensity. Magnetic field induced movement of both CNT and iron oxide particles along the field direction is shown to dominate compressive behavior of CNT foam over highly attractive van der Waals forces between individual CNT. Therefore, this study demonstrates a method for tailoring the mechanical behavior of the fluid impregnated CNT foam. (C) 2014 AIP Publishing LLC.

Oscillation dynamics of sessile droplets subjected to substrate vibration

Sessile droplets on a vibrating substrate are investigated focusing on axisymmetric oscillations with pinned contact line. Proper orthogonal decomposition is employed to identify the different modes of droplet shape oscillation and quantitatively assess the droplet oscillation and spectral response. We offer the first experimental evidence for the analogy of an oscillating sessile droplet with a non-linear spring mass damper system. The qualitative and quantitative agreement of amplitude response and phase response curves and limit cycles of the model dynamical system with that observed experimentally suggest that the bulk oscillations in the fundamental mode of a sessile droplet can be very well modeled by a Duffing oscillator with a hard spring, especially near the resonance. The red shift of the resonance peak with an increase in the glycerol concentration is clearly evidenced by both the experimental and predicted amplitude response curves. The influence of various operational parameters such as excitation frequency and amplitude and fluid properties on the droplet oscillation characteristics is adequately captured by the model. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Girsanov Transformation-Based Reliability Modeling and Testing of Actively Controlled Structures

The problem of estimation of the time-variant reliability of actively controlled structural dynamical systems under stochastic excitations is considered. Monte Carlo simulations, reinforced with Girsanov transformation-based sampling variance reduction, are used to tackle the problem. In this approach, the external excitations are biased by an additional artificial control force. The conflicting objectives of the two control forces-one designed to reduce structural responses and the other to promote limit-state violations (but to reduce sampling variance)-are noted. The control for variance reduction is fashioned after design-point oscillations based on a first-order reliability method. It is shown that for structures that are amenable to laboratory testing, the reliability can be estimated experimentally with reduced testing times by devising a procedure based on the ideas of the Girsanov transformation. Illustrative examples include studies on a building frame with a magnetorheologic damper-based isolation system subject to nonstationary random earthquake excitations. (C) 2014 American Society of Civil Engineers.

Surface-waves, stability, and scattering for a lined duct with flow

We consider a straight cylindrical duct with a steady subsonic axial flow and a reacting boundary (e.g. an acoustic lining). The wave modes are separated into ordinary acoustic duct modes, and surface modes confined to a small neighbourhood of the boundary. Many researchers have used a mass-spring-damper boundary model, for which one surface mode has previously been identified as a convective instability; however, we show the stability analysis used in such cases to be questionable. We investigate instead the stability of the surface modes using the Briggs-Bers criterion for a Flügge thin-shell boundary model. For modest frequencies and wavenumbers the thin-shell has an impedance which is effectively that of a mass-spring-damper, although for the large wavenumbers needed for the stability analysis the thin-shell and mass-spring-damper impedances diverge, owing to the thin shell's bending stiffness. The thin shell model may therefore be viewed as a regularization of the mass-spring-damper model which accounts for nonlocally-reacting effects. We find all modes to be stable for realistic thin-shell parameters, while absolute instabilities are demonstrated for extremely thin boundary thicknesses. The limit of vanishing bending stiffness is found to be a singular limit, yielding absolute instabilities of arbitrarily large temporal growth rate. We propose that the problems with previous stability analyses are due to the neglect of something akin to bending stiffness in the boundary model. Our conclusion is that the surface mode previously identified as a convective instability may well be stable in reality. Finally, inspired by Rienstra's recent analysis, we investigate the scattering of an acoustic mode as it encounters a sudden change from a hard-wall to a thin-shell boundary, using a Wiener-Hopf technique. The thin-shell is considered to be clamped to the hard-wall. The acoustic mode is found to scatter into transmitted and reflected acoustic modes, and surface modes strongly linked to the solid waves in the boundary, although no longitudinal or transverse waves within the boundary are excited. Examples are provided that demonstrate total transmission, total reflection, and a combination of the two. This thin-shell scattering problem is preferable to the mass-spring-damper scattering problem presented by Rienstra, since the thin-shell problem is fully determined and does not need to appeal to a Kutta-like condition or the inclusion of an instability in order to avoid a surface-streamline cusp at the boundary change.

Construction, extension and evaluation of the improved smoking kiln (Banda) in Kainji Lake area

Fish smoking, as a traditional occupation of fishermen and women in Kainji Lake Area (Nigeria) is done using simple traditional ovens called 'Banda', the fuel for the smoking being almost hundred percent dependent on wood. A simple modification was made to the traditional 'Banda' oven using a damper to prevent burning of the fish. A comparison of the improved and the traditional 'Banda' was made. The results indicate that fuel wood consumption was reduced 52 percent by using the improved 'Banda', which implied that 50 percent of fish processor's income could be saved through the adoption of this technology. The most important advantage of the improved kiln, fuel wood conservation, represents for fishers a problem of an economic importance. Whilst they are aware that it is becoming much more difficult to get the needed fuel wood, the children can still conveniently collect enough wood for both home use and processing activities. The cost of the components of the improved kiln, when compared with the traditional version may be considered quite significant, and hence the reluctance of the fish processors in constructing similar ones. Selected blacksmiths were trained to continue the fabrication of the kiln component. The training was carried out to assure that the improved kiln will be constructed even after the project will end to support the fabrication

NOx emission and thermal efficiency of a 300 MWe utility boiler retrofitted by air staging

Full-scale experiments were performed on a 300 MWe utility boiler retrofitted with air staging. In order to improve boiler thermal efficiency and to reduce NOx emission, the influencing factors including the overall excessive air ratio, the secondary air distribution pattern, the damper openings of CCOFA and SOFA, and pulverized coal fineness were investigated. Through comprehensive combustion adjustment, NOx emission decreased 182 ppm (NOx reduction efficiency was 44%), and boiler heat efficiency merely decreased 0.21%. After combustion improvement, high efficiency and low NOx emission was achieved in the utility coal-fired boiler retrofitted with air staging, and the unburned carbon in ash can maintain at a desired level where the utilization of fly-ash as byproducts was not influenced.

Verificação à fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto)

As pontes rodoviárias mistas (aço-concreto) estão sujeitadas às ações dinâmicas variáveis, por exemplo, devido ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Estas ações dinâmicas podem gerar a nucleação de fraturas ou mesmo a sua propagação sobre a estrutura. A correta consideração desses aspectos objetivou o desenvolvimento de uma metodologia de análise, com a finalidade de avaliar os níveis dos esforços e tensões oriundos do tráfego dos veículos sobre a superfície irregular do pavimento e, bem como, proceder uma verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias em aço e mistas (aço-concreto). Para tal, as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por quatro vigas de aço longitudinais e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Simulam-se as almas das vigas de aço e as lajes de concreto do tabuleiro através de elementos finitos de casca. As mesas dessas vigas, transversinas e os enrijecedores são modelados por elementos de viga tridimensionais. Os veículos são representados a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". O tráfego dessas viaturas é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

Subsurface damage in optical substrates

The origin, character, analysis and treatment of subsurface damage (SSD) were summarized in this paper. SSD, which was introduced to substrates by manufacture processes, may bring about the decrease of laser-induced damage threshold (LIDT) of substrates and thin films. Nondestructive evaluation (NDE) methods for the measurement of SSD were used extensively because of their conveniences and reliabilities. The principle, experimental setup and some other technological details were given for total internal reflection microscopy (TIRM), high-frequency scanning acoustic microscopy (HFSAM) and laser-modulated scattering (LMS). However, the spatial resolution, probing depth and theoretic models of these NDE methods demanded further studies. Furthermore, effective surface treatments for minimizing or eliminating SSD were also presented in this paper. Both advantages and disadvantages of ion beam etching (IBE) and magnetorheological finishing (MRF) were discussed. Finally, the key problems and research directions of SSD were summarized. (c) 2005 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Análise dinâmica e controle de vibrações de passarelas de pedestres submetidas ao caminhar humano.

Passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) e de aço são frequentemente submetidas a ações dinâmicas de magnitude variável, devido à travessia de pedestres sobre a laje de concreto. Estas ações dinâmicas podem produzir vibrações excessivas e dependendo de sua magnitude e intensidade, estes efeitos adversos podem comprometer a confiabilidade e a resposta do sistema estrutural e, também, podem levar a uma redução da expectativa de vida útil da passarela. Por outro lado, a experiência e o conhecimento dos engenheiros estruturais em conjunto com o uso de novos materiais e tecnologias construtivas têm produzido projetos de passarelas mistas (aço-concreto) bastante arrojados. Uma consequência direta desta tendência de projeto é um aumento considerável das vibrações estruturais. Com base neste cenário, esta dissertação visa investigar o comportamento dinâmico de três passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) localizadas no Rio de Janeiro, submetidas ao caminhar humano. Estes sistemas estruturais são constituídos por uma estrutura principal de aço e laje em concreto e são destinados à travessia de pedestres. Deste modo, foram desenvolvidos modelos numérico-computacionais, adotando-se as técnicas tradicionais de refinamento presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no uso do software ANSYS. Estes modelos numéricos permitiram uma completa avaliação dinâmica das passarelas investigadas, especialmente em termos de conforto humano. As respostas dinâmicas foram obtidas em termos de acelerações de pico e comparadas com valores limites propostas por diversos autores e normas de projeto. Os valores de aceleração de pico e aceleração rms encontrados na presente investigação indicaram que as passarelas analisadas apresentaram problemas relacionados com o conforto humano. Assim sendo, considerando-se que foi detectado que estas estruturas poderiam atingir níveis elevados de vibração que possam vir a comprometer o conforto dos usuários, foi verificado que uma estratégia para o controle estrutural era necessária, a fim de reduzir as vibrações excessivas nas passarelas. Finalmente, uma investigação foi realizada com base em alternativas de controle estrutural objetivando atenuar vibrações excessivas, a partir do emprego de sistemas de atenuadores dinâmicos sintonizados (ADS).

Análise dinâmica e controle de vibrações de pisos de edificações submetidos a atividades humanas rítmicas.

Um aumento crescente dos problemas estruturais associados à vibração excessiva de pisos de edificações de estruturas mistas (aço-concreto) e de concreto armado devido a atividades humanas rítmicas constitui a principal motivação para o desenvolvimento de uma metodologia de projeto respaldada na obtenção da resposta dinâmica de pisos mistos (aço-concreto) e de concreto armado, quando submetidos a cargas dinâmicas humanas rítmicas. Para tal, os modelos estruturais estudados baseiam-se em pisos de edificações mistas (aço-concreto) e de concreto armado submetidos a aulas de ginástica aeróbica. São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Um estudo paramétrico foi realizado sobre os modelos estruturais investigados e foram obtidos valores elevados para as acelerações de pico violando os critérios de projeto e indicando níveis de vibrações excessivas. Considerando-se os aspectos mencionados anteriormente foi desenvolvida uma estratégia com base em alternativas viáveis para o controle estrutural, objetivando a atenuação das vibrações excessivas a partir da instalação de atenuadores dinâmicos sincronizados (ADS) nos pisos analisados.

Influência da Velocidade, do Espaçamento e do Número de Veículos sobre a Resposta Dinâmica de Pontes Rodoviárias de Concreto Armado.

Nesta dissertação são avaliados os efeitos dinâmicos provenientes da travessia de comboios de veículos sobre o tabuleiro irregular de obras de arte rodoviárias de concreto armado. O modelo matemático empregado para simular o comportamento do sistema veículo-ponte considera a participação da massa e da rigidez das viaturas na definição das freqüências do sistema e, conseqüentemente, a força de interação entre os veículos e a ponte é afetada pela flexibilidade desta. A ponte é modelada a partir do emprego de elementos finitos de barra unidimensionais e discretizado com massas concentradas e flexibilidade distribuída. O modelo de veículo empregado baseia-se no veículo TB-12 preconizado pela norma brasileira NBR 7188. Este veículo é simulado por sistemas de massas, molas e amortecedores sendo descrito por graus de liberdade à translação e rotação no plano. As irregularidades da pista são definidas por um modelo não-determinístico com base na densidade espectral do pavimento. O carregamento sobre a ponte é constituído por sucessões de veículos deslocando-se com velocidade constante sobre a obra. Devido à própria natureza das irregularidades da pista e do comboio de veículos, atenção especial é concentrada na fase permanente da resposta do sistema. São estudadas as respostas de dois modelos estruturais existentes, com base em tabuleiros isostáticos, em concreto armado, com e sem balanços, em seção do tipo T e duplo T, respectivamente, em termos de deslocamentos e esforços nas seções onde ocorrem os efeitos máximos. As conclusões do trabalho versam sobre a influência da velocidade, espaçamento e do número de veículos, referentes a situações distintas de carregamento, no que tange a resposta dinâmica das pontes rodoviárias de concreto armado. A magnitude dos efeitos dinâmicos associados à interação dos veículos com o pavimento irregular também é investigada.

Verificação à fadiga estrutural de ponte em concreto armado.

As pontes rodoviárias de concreto armado estão sujeitas à ações dinâmicas variáveis devido ao tráfego de veículos sobre o tabuleiro. Estas ações dinâmicas nem sempre são corretamente consideradas pelos projetistas. Deste modo, a correta consideração destes aspectos mostra-se de fundamental importância, de forma a se avaliar os esforços dinâmicos oriundos do tráfego de veículos sobre o tabuleiro. De acordo com este contexto, a ponte rodoviária investigada nesta dissertação é constituída por duas vigas longitudinais, três transversinas, sendo uma central e duas sobre os apoios, e por um tabuleiro em concreto armado. O modelo computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base no emprego de técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Os veículos são representados a partir de sistemas do tipo "massa-mola-amortecedor". O tráfego destes veículos é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As técnicas para a contagem de ciclos de tensões e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através das curvas S-N de diversas normas e recomendações internacionais vigentes que versam sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa se referem à análise da resposta dinâmica bem como da vida útil de serviço da obra de arte rodoviária de concreto armado investigada, quando submetida às ações dinâmicas provenientes do tráfego de veículos pesados sobre o tabuleiro.

Modelagem do comportamento dinâmico e análise de fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto).

Considerando-se os diversos carregamentos que solicitam a estrutura de uma ponte rodoviária, ao longo de sua vida útil, alguns possuem um comportamento essencialmente dinâmico, ou seja, variam com o tempo, diferentemente do que é considerado na prática corrente de projeto desse tipo de obra de arte. Em geral, os projetistas desse tipo de estrutura têm tratado carregamentos como o de vento, tráfego de veículos e de pedestres como ações de natureza estática, ignorando seu perfil cíclico. Tal consideração, em diversas situações de projeto, tende a minorar os efeitos das ações dinâmicas sobre o sistema estrutural. Além disso, estruturas submetidas a solicitações cíclicas, sob uma carga inferior à caga máxima suportada pelo material, estão sujeitas ao fenômeno da fadiga. A consideração adequada de todos estes aspectos mostra-se fundamentalmente importante para correta avaliação dos níveis de esforços solicitantes do sistema estrutural e, bem como, para a identificação de fenômenos importantes como o da fadiga que pode vir a provocar, por exemplo, a ruptura de componentes estruturais sem aviso prévio ou motivo aparente. Para tal, nesta dissertação as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por seis vigas de aço longitudinais com enrijecedores transversais, oito transversinas e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi elaborado com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. As mesas e almas das vigas, assim como os enrijecedores , foram modelados por elementos de casca e laje de concreto armado, por elementos sólidos. O carregamento dinâmico avaliado no presente estudo diz respeito ao tráfego de veículos, cuja representação se dá a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". Os comboios formados são adotados como sendo semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

Control of motorcycle steering instabilities

Modern high performance motorcycles often employ a steering damper producing a moment that opposes the angular velocity of the steering assembly relative to the main frame. When modeling the motorcycle in a conventional manner, the steering damper is included as an integral part of the machine. The reduction in the wobble-mode frequency is caused by the effective increase in the steering system's moment of inertia. The compensators show the potential to significantly improve the damping of both wobble and weave modes simultaneously. The dynamic characteristics of high-performance motorcycles can be improved by replacing the conventional steering damper with a passive mechanical steering compensator. The design methodology adopted uses Nyquist frequency response ideas, root-locus analysis and loop-shaping design to obtain a preliminary choice of parameters.