Force and displacement transmissibility of a nonlinear isolator with high-static-low-dynamic-stiffness

Engineers often face the challenge of reducing the level of vibrations experienced by a given payload or those transmitted to the support structure to which a vibrating source is attached. In order to increase the range over which vibrations are isolated, soft mounts are often used in practice. The drawback of this approach is the static displacement may be too large for reasons of available space for example. Ideally, a vibration isolator should have a high-static stiffness, to withstand static loads without too large a displacement, and at the same time, a low dynamic stiffness so that the natural frequency of the system is as low as possible which will result in an increased isolation region. These two effects are mutually exclusive in linear isolators but can be overcome if properly configured nonlinear isolators are used. This paper is concerned with the characterisation of such a nonlinear isolator comprising three springs, two of which are configured to reduce the dynamic stiffness of the isolator. The dynamic behaviour of the isolator supporting a lumped mass is investigated using force and displacement transmissibility, which are derived by modelling the dynamic system as a single-degree-of-freedom system. This results in the system dynamics being approximately described by the Duffing equation. For a linear isolator, the dynamics of the system are the same regardless if the source of the excitation is a harmonic force acting on the payload (force transmissibility) or a harmonic motion of the base (displacement transmissibility) on which the payload is mounted. In this paper these two expressions are compared for the nonlinear isolator and it is shown that they differ. A particular feature of the displacement transmissibility is that the response is unbounded at the nonlinear resonance frequency unless the damping in the isolator is greater than some threshold value, which is not the case for force transmissibility. An explanation for this is offered in the paper. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A comparison of two nonlinear damping mechanisms in a vibration isolator

The vibration transmissibility characteristics of a single-degree-of- freedom (SDOF) passive vibration isolation system with different nonlinear dampers are investigated in this paper. In one configuration, the damper is assumed to be linear and viscous, and is connected to the mass so that it is perpendicular to the spring (horizontal damper). The vibration is in the direction of the spring. The second configuration is one in which the damper is in parallel with the spring but the damping force is proportional to the cube of the relative velocity across the damper (cubic damping). Both configurations are studied for small amplitudes of excitation, when some analysis can be conducted based on analytical expressions, and for large amplitudes of excitation, where the analysis is based on numerical simulations. It is found that the two nonlinear systems can outperform the linear system when force transmissibility is considered. However, for displacement transmissibility, the system with the horizontal damper exhibits some desirable properties, but the system with cubic damping does not. © 2012 Elsevier Ltd.

Comparison between the performances of a linear isolator and an isolator with a geometrically nonlinear damper

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

On the shock performance of a nonlinear vibration isolator with high-static-low-dynamic-stiffness

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

On the effects of mistuning a force-excited system containing a quasi-zero-stiffness vibration isolator

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Enhancing Optical Isolator Performance in Nonreciprocal Waveguide Arrays

We investigate the operation of optical isolators based on magneto-optics waveguide arrays beyond the coupled mode analysis. Semi-vectorial beam propagation simulations demonstrate that evanescent tail coupling and the effects of radiation are responsible for degrading the device’s performance. Our analysis suggests that these effects can be mitigated when the array size is scaled up. In addition, we propose the use of radiation blockers in order to offset some of these effects, and we show that they provide a dramatic improvement in performance. Finally, we also study the robustness of the system with respect to fabrication tolerances using the coupled mode theory. We show that small, random variations in the system’s parameters tend to average out as the number of optical guiding channels increases.

Isolator-free switchable uni- and bidirectional hybrid mode-locked erbium-doped fiber laser

An Erbium-doped fibre ring laser hybrid mode-locked with single-wall carbon nanotubes (SWNT) and nonlinear polarisation evolution (NPE) without an optical isolator has been investigated for various cavity conditions. Precise control of the state of polarisation (SOP) in the cavity ensures different losses for counter-propagating optical fields. As the result, the laser operates in quasi-unidirectional regime in both clockwise (CW) and counter-clockwise (CCW) directions with the emission strengths difference of the directions of 22 dB. Furthermore, by adjusting the net birefringence in the cavity, the laser can operate in a bidirectional generation. In this case, a laser pumped with 75 mW power at 980 nm generates almost identical 790 and 570 fs soliton pulses with an average power of 1.17 and 1.11 mW. The operation stability and pulse quality of the soliton pulses in both unidirectional regimes are highly competitive with those generated in conventional ring fibre lasers with isolator in the cavity. Demonstrated bidirectional laser operation can find vital applications in gyroscopes or precision rotation sensing technologies.

Uni-and bidirectional hybrid mode-locked erbium-doped isolator-free fibre laser

We have investigated a hybrid mode-locked Erbium-doped fibre ring laser without optical isolator. Creating different losses in the cavity for counter-propagating pulses via net birefringence adjusting, the laser can operate in both unidirectional regimes with extinction over 22 dB, as well as can establish stable bidirectional generation.

Auditoria e optimização energética à secção de impregnação de uma indústria têxtil

Mestrado em Engenharia Química

Design of New Materials for Passive Vibration Control

The objective of this contribution is to extend the models of cellular/composite material design to nonlinear material behaviour and apply them for design of materials for passive vibration control. As a first step a computational tool allowing determination of optimised one-dimensional isolator behaviour was developed. This model can serve as a representation for idealised macroscopic behaviour. Optimal isolator behaviour to a given set of loads is obtained by generic probabilistic metaalgorithm, simulated annealing. Cost functional involves minimization of maximum response amplitude in a set of predefined time intervals and maximization of total energy absorbed in the first loop. Dependence of the global optimum on several combinations of leading parameters of the simulated annealing procedure, like neighbourhood definition and annealing schedule, is also studied and analyzed. Obtained results facilitate the design of elastomeric cellular materials with improved behaviour in terms of dynamic stiffness for passive vibration control.

Design of New Materials for Passive Vibration Control

The aim of this contribution is to extend the techniques of composite materials design to non-linear material behaviour and apply it for design of new materials for passive vibration control. As a first step a computational tool allowing determination of macroscopic optimized one-dimensional isolator behaviour was developed. Voigt, Maxwell, standard and more complex material models can be implemented. Objective function considers minimization of the initial reaction and/or displacement peak as well as minimization of the steady-state amplitude of reaction and/or displacement. The complex stiffness approach is used to formulate the governing equations in an efficient way. Material stiffness parameters are assumed as non-linear functions of the displacement. The numerical solution is performed in the complex space. The steady-state solution in the complex space is obtained by an iterative process based on the shooting method which imposes the conditions of periodicity with respect to the known value of the period. Extension of the shooting method to the complex space is presented and verified. Non-linear behaviour of material parameters is then optimized by generic probabilistic meta-algorithm, simulated annealing. Dependence of the global optimum on several combinations of leading parameters of the simulated annealing procedure, like neighbourhood definition and annealing schedule, is also studied and analyzed. Procedure is programmed in MATLAB environment.

Ion modulated organic transistors

I likhet med vanliga plaster är de π-konjugerade polymererna flexibla, lösliga och processbara vid låga temperaturer (< 150 ºC). Därutöver har de egenskapen att leda ström. Konduktivitetsintervallet är brett och omfattar nästintill metallisk ledningsförmåga å ena sidan, via halvledarkonduktiva till isolerande å andra sidan. Polymererna utgörs av regelbundna kedjor av kolatomer och associeras sålunda till organiska material. Sedan de första vetenskapliga rapporterna publicerades vid slutet av 1970-talet har π-konjugerade polymerer använts och utvecklats i exempelvis solceller, dioder, lysdioder och transistorer. Nobelpriset i kemi tilldelades år 2000 åt Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger och Alan G. MacDiarmid för upptäckten och utvecklandet av ledande polymerer. I min avhandling har jag arbetat med att utveckla och förstå lågspännings jonmodulerade organiska transistorer. Två typer av jonmodulerade organiska transistorer studeras: (1) den jonmodulerade organiska fälteffekt transistorn (jonmodulerade OFETen), som utgör den centrala transistorn i avhandlingen, samt (2) den elektrokemiska transistorn. Den första typen fungerar som en konventionell OFET. Strömmen i halvledaren moduleras av det elektriska fältet över isolatorn. Med användandet av en elektrolyt ”isolator” orsakar polariseringen av jonerna däremot ett högt elektriskt fält vid elektrolyt/halvledargränssnittet och man åstadkommer modulering av strömmen redan vid några volts drivspänningar. I den andra typen utnyttjas elektrokemi för att medelst reduktion/oxidation modulera strömmen i den π-konjugerade polymeren. Ett viktigt ändamål i avhandlingen har också varit att kunna tillverka transistorerna med masstillverkningsmetoder. I avhandlingen presenteras de jonmodulerade organiska transistorernas möjlighet att framställas med masstillverkningsmetoder. Nya koncept introduceras och svagheter identifieras. Skillnaderna mellan OFETen, jonmodulerade OFETen och den elektrokemiska transistorn klargörs. Arbetet skall däremot inte anses fullbordat utan forskningen fortgår för att kringgå svagheterna, öka på transistorernas stabilitet och framförallt tillämpa dem i innovativa applikationer.

An optically coupled power stimulus isolation unit with high voltage and fast rise time output

Recent technological developments have created new devices that could improve and simplify the construction of stimulus isolators. HEXFET transistors can switch large currents and hundreds of volts in nanoseconds. The newer opto-isolators can give a pulse rise time of a few nanoseconds, with output compatible with MOSFET devices, in which delays are reduced to nanoseconds. Integrated DC/DC converters are now available. Using these new resources we developed a new electrical stimulus isolator circuit with selectable constant-current and constant-voltage modes, which are precise and easy to construct. The circuit works like a regulated power supply in both modes with output switched to zero or to free mode through an opto-isolator device. The isolator analyses showed good practical performance. The output to ground resistance was 1011 ohms and capacitance 35 picofarads. The rise time and fall time were identical (5 µs) and constant. The selectable voltage or current output mode made it very convenient to use. The current mode, with higher output resistance values in low current ranges, permits intracellular stimulation even with tip resistances close to 100 megaohms. The high compliance of 200 V guarantees the value of the current stimulus. The very low output resistance in the voltage mode made the device highly suitable for extracellular stimulation with low impedance electrodes. Most importantly, these characteristics were achieved with a circuit that was easy to build and modify and assembled with components available in Brazil.

Étude de l’efficacité de la vaccination à Salmonella Enteritidis chez la poule pondeuse et de la protection contre l’infection

Les infections à Salmonella Enteritidis chez les humains sont associées à la consommation d’œufs ou d’ovoproduits contaminés. La vaccination est un outil utilisé pour diminuer les risques d’infection à SE chez la volaille, mais avec des résultats variables. Au Canada deux bactérines, MBL SE4C et Layermune, sont couramment utilisées pour lutter contre SE. Cependant, leur efficacité n’a pas été complètement déterminée chez les poules pondeuses plus âgées. Par ailleurs, la capacité de ces vaccins à prévenir la transmission verticale et horizontale n’a pas encore été étudiée. L’objectif principal de cette étude était d’évaluer l’effet des deux bactérines sur la réponse immunitaire chez les poules pondeuses, de vérifier la protection conférée par ces vaccins contre l’infection expérimentale à SE, et d’identifier des protéines immunogènes afin de développer un vaccin sous-unitaire. Les oiseaux ont été vaccinés avec deux protocoles d’immunisation en cours d’élevage (soit à 12 et 18, ou à 16 semaines d’âge). Le groupe contrôle a été injecté avec la solution saline. Les oiseaux ont été inoculés per os avec 2 x 109 CFU de la souche SE lysotype 4 à 55 ou à 65 semaines d’âge. Les anticorps (IgG et IgA) ont été mesurés à différents temps avec un ELISA maison en utilisant l’antigène entier de SE. La phagocytose, flambée oxydative, les populations des splénocytes B et T ont été analysées en utilisant la cytométrie en flux. Les signes cliniques, l’excrétion fécale, la contamination des jaunes d’œufs et l’invasion des salmonelles dans les organes ont été étudiés pour évaluer l’efficacité de protection. La transmission horizontale a aussi été étudiée en évaluant l’infection à SE chez les oiseaux mis en contact avec les oiseaux inoculés. Les protéines immunogènes ont été identifiées par SDS-PAGE et Western blot à l’aide d’antisérums prélevés suite à la vaccination et/ou à l’infection expérimentale/naturelle, puis caractérisées par la spectrométrie de masse. Le protocole de vaccination avec deux immunisations a généré un niveau élevé de séroconversion à partir de 3 jusqu’à 32-34 semaines post-vaccination par rapport à celui avec une seule immunisation (p < 0.02), mais il n’y avait plus de différence entre les groupes à 54 et 64 semaines d’âge. Il n’y a pas eu de corrélation entre les niveaux d’IgG et les taux d’isolement des salmonelles dans les organes et des jaunes d’œuf. La production des IgA n’a été observée que chez les oiseaux vaccinés avec 2 injections de MBL SE4C (p ≤ 0.04). Après l’infection expérimentale, la production des IgA a été significativement plus élevée aux jours 1 et 7 p.i dans l’oviducte des oiseaux vaccinés (sauf pour le groupe vacciné avec 2 injections de Layermune) par comparaison avec le groupe contrôle (p ≤ 0.03). Seule la bactérine MBL SE4C a eu un effet protecteur contre la contamination des jaunes d’œuf chez les oiseaux infectés. Ce vaccin réduit partiellement en utilisant deux immunisations, le taux d’excrétion fécale des salmonelles chez les oiseaux inoculés et les oiseaux horizontalement infectés (p ≤ 0.02). Cinq des protéines identifiées par la spectrométrie de masse sont considérées comme des protéines potentiellement candidates pour une étude plus approfondie de leur immonogénicité: Lipoamide dehydrogenase, Enolase (2-phosphoglycerate dehydratase) (2-phospho-D-glycerate hydro-lyase), Elongation factor Tu (EF-Tu), Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) et DNA protection during starvation protein. En général, les bactérines ont induit une immunité humorale (IgG et IgA) chez les poules pondeuses. Cette réponse immunitaire a protégé partiellement les oiseaux quant à l’élimination des salmonelles, la contamination des jaunes d’œuf, ainsi que la transmission horizontale. Dans cette étude, la bactérine MBL SE4C (avec deux immunisations) s’est montrée plus efficace pour protéger les oiseaux que la bactérine Layermune. Nos résultats apportent des informations objectives et complémentaires sur le potentiel de deux bactérines pour lutter contre SE chez les poules pondeuses. Étant donné la protection partielle obtenue en utilisant ces vaccins, l’identification des antigènes immunogènes a permis de sélectionner des protéines spécifiques pour l’élaboration éventuelle d’un vaccin plus efficace contre SE chez les volailles.

Development and applications of density matrix functional theory of generalized Hubbard Models

In dieser Doktorarbeit wird eine akkurate Methode zur Bestimmung von Grundzustandseigenschaften stark korrelierter Elektronen im Rahmen von Gittermodellen entwickelt und angewandt. In der Dichtematrix-Funktional-Theorie (LDFT, vom englischen lattice density functional theory) ist die Ein-Teilchen-Dichtematrix γ die fundamentale Variable. Auf der Basis eines verallgemeinerten Hohenberg-Kohn-Theorems ergibt sich die Grundzustandsenergie Egs[γgs] = min° E[γ] durch die Minimierung des Energiefunktionals E[γ] bezüglich aller physikalischer bzw. repräsentativer γ. Das Energiefunktional kann in zwei Beiträge aufgeteilt werden: Das Funktional der kinetischen Energie T[γ], dessen lineare Abhängigkeit von γ genau bekannt ist, und das Funktional der Korrelationsenergie W[γ], dessen Abhängigkeit von γ nicht explizit bekannt ist. Das Auffinden präziser Näherungen für W[γ] stellt die tatsächliche Herausforderung dieser These dar. Einem Teil dieser Arbeit liegen vorausgegangene Studien zu Grunde, in denen eine Näherung des Funktionals W[γ] für das Hubbardmodell, basierend auf Skalierungshypothesen und exakten analytischen Ergebnissen für das Dimer, hergeleitet wird. Jedoch ist dieser Ansatz begrenzt auf spin-unabhängige und homogene Systeme. Um den Anwendungsbereich von LDFT zu erweitern, entwickeln wir drei verschiedene Ansätze zur Herleitung von W[γ], die das Studium von Systemen mit gebrochener Symmetrie ermöglichen. Zuerst wird das bisherige Skalierungsfunktional erweitert auf Systeme mit Ladungstransfer. Eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit des Funktionals W[γ] von der Ladungsverteilung ergibt ähnliche Skalierungseigenschaften wie für den homogenen Fall. Daraufhin wird eine Erweiterung auf das Hubbardmodell auf bipartiten Gittern hergeleitet und an sowohl endlichen als auch unendlichen Systemen mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung angewandt. Die hohe Genauigkeit dieses Funktionals wird aufgezeigt. Es erweist sich jedoch als schwierig, diesen Ansatz auf komplexere Systeme zu übertragen, da bei der Berechnung von W[γ] das System als ganzes betrachtet wird. Um dieses Problem zu bewältigen, leiten wir eine weitere Näherung basierend auf lokalen Skalierungseigenschaften her. Dieses Funktional ist lokal bezüglich der Gitterplätze formuliert und ist daher anwendbar auf jede Art von geordneten oder ungeordneten Hamiltonoperatoren mit lokalen Wechselwirkungen. Als Anwendungen untersuchen wir den Metall-Isolator-Übergang sowohl im ionischen Hubbardmodell in einer und zwei Dimensionen als auch in eindimensionalen Hubbardketten mit nächsten und übernächsten Nachbarn. Schließlich entwickeln wir ein numerisches Verfahren zur Berechnung von W[γ], basierend auf exakten Diagonalisierungen eines effektiven Vielteilchen-Hamilton-Operators, welcher einen von einem effektiven Medium umgebenen Cluster beschreibt. Dieser effektive Hamiltonoperator hängt von der Dichtematrix γ ab und erlaubt die Herleitung von Näherungen an W[γ], dessen Qualität sich systematisch mit steigender Clustergröße verbessert. Die Formulierung ist spinabhängig und ermöglicht eine direkte Verallgemeinerung auf korrelierte Systeme mit mehreren Orbitalen, wie zum Beispiel auf den spd-Hamilton-Operator. Darüber hinaus berücksichtigt sie die Effekte kurzreichweitiger Ladungs- und Spinfluktuationen in dem Funktional. Für das Hubbardmodell wird die Genauigkeit der Methode durch Vergleich mit Bethe-Ansatz-Resultaten (1D) und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (2D) veranschaulicht. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf relevante zukünftige Entwicklungen dieser Theorie gegeben.