Inverse dynamics of underactuated flexible mechanical systems governed by quasi-linear hyperbolic partial differential equations

Diese Arbeit befasst sich mit der inversen Dynamik unteraktuierter, flexibler, mechanischer Systeme, welche durch quasi-lineare hyperbolische partielle Differentialgleichungen beschrieben werden können. Diese Gleichungnen, sind zeitlich veränderlichen Dirichlet-Randbedingungen unterworfen, welche durch unbekannte, räumlich disjunkte, also nicht kollokierte Neumann-Randbedingungen erzwungen werden. Die zugrundeliegenden Gleichungen werden zunächst abstrakt hergeleitet, bevor verschiedene mechanische Systeme vorgestellt werden können, die mit der eingangs postulierten Formulierung übereinstimmen. Hierzu werden geometrisch exakte Theorien hergeleitet, welche in der Lage sind große Bewegungen schlanker Strukturen wie Seile und Balken, aber auch ganz allgemein, dreidimensionaler Festkörper zu beschreiben. In der Regel werden Anfangs-Randwertprobleme, die in der nichtlinearen Strukturdynamik auftreten, durch Anwendung einer sequentiellen Diskretisierung in Raum und Zeit gelöst. Diese Verfahren basieren für gewöhnlich auf einer räumlichen Diskretisierung mit finiten Elementen, gefolgt von einer geeigneten zeitlichen Diskretisierung, welche meist auf finiten Differenzen beruht. Ein kurzer Überblick über derartige sequentielle Integrationsverfahren für das vorliegende Anfangs-Randwertproblem wird zunächst anhand der direkten Formulierung des Problems gegeben werden. D.h. es wird zunächst das reine Neumann-Randproblem betrachtet, bevor anschließend ganz allgemein, verschiedene Möglichkeiten zur Einbindung etwaiger Dirichlet-Randbedingungen diskutiert werden. Darauf aufbauend wird das Problem der inversen Dynamik im Kontext räumlich diskreter mechanischer Systeme, welche rheonom-holonomen Servo-Bindungen unterliegen, eingeführt. Eine ausführliche Untersuchung dieser Art von gebundenen Systemen soll die grundlegenden Unterschiede zwischen Servo-Bindungen und klassischen Kontakt-Bindungen herausarbeiten. Die daraus resultierenden Folgen für die Entwicklung geeigneter numerisch stabiler Integrationsverfahren können dabei ebenfalls angesprochen werden, bevor zahlreich ausgewählte Beispiele vorgestellt werden können. Aufgrund der sehr eingeschränkten Anwendbarkeit der sequentiellen Lösung der inversen Dynamik in Raum und Zeit, wird eine eingehende Analyse des vorliegenden Anfangs-Randwertproblems unternommen. Vor allem durch die Freilegung der hyperbolischen Struktur der zugrundeliegenden partiellen Differentialgleichungen werden sich weitere Einblicke in das vorliegende Problem erhofft. Die Erforschung der daraus resultierenden Mechanismen der Wellenausbreitung in kontinuierlichen Strukturen öffnet die Tür zur Entwicklung numerisch stabiler Integrationsverfahren für die inverse Dynamik. So kann unter anderem eine Methode vorgestellt werden, die auf der Integration der partiellen Differentialgleichungen entlang charakteristischer Mannigfaltigkeiten beruht. Dies regt zu der Entwicklung neuartiger Galerkinverfahren an, die ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt werden können. Diese neu entwickelten Methoden können anschlie\ss end auf die Steuerung verschiedener mechanischer Systeme angewendet werden. Darüber hinaus können die neuartigen Integrationsverfahren auch auf flexible Mehrkörpersysteme übertragen werden. Angeführt seien hier beispielsweise die kooperative Steuerung eines an mehreren flexiblen Seilen aufgehängten starren Körpers oder die Steuerung des Endeffektors eines flexiblen mehrgliedrigen Schwenkarms. Ausgewählte numerische Beispiele verdeutlichen die Relevanz der hier vorgeschlagenen, in Raum und Zeit simultanen Integration des vorliegenden Anfangs-Randwertproblems

Index to 1981 NASA Tech Briefs, volume 6, numbers 1-4

Short announcements of new technology derived from the R&D activities of NASA are presented. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This index for 1981 Tech Briefs contains abstracts and four indexes: subject, personal author, originating center, and Tech Brief Number. The following areas are covered: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences

Geometric Nonlinear Finite Element and Genetic Algorithm Based Vibration Energy Harvesting from Functionally Graded Nonprismatic Piezolaminated Beams

Energy harvesting technology has the ability to create autonomous, self-powered systems which do not rely on the conventional battery for their operation. The term energy harvesting is the process of converting the ambient energy surrounding a system into some useful electrical energy using certain materials. Among several energy conversion techniques, the conversion of ambient vibration energy to electrical energy using piezoelectric materials has great deal of importance which encompasses electromechanical coupling between mechanical and electrical domains. The energy harvesting systems are designed by incorporating the piezoelectric materials in the host structure located in vibration rich environment. The work presented in this dissertation focuses on upgrading the concept of energy harvesting in order to engender more power than conventional energy harvesting designs. The present work deals with first the finite element (FE) formulation for coupled thermo-electro-mechanical analysis of vibration energy harvesting from an axially functionally graded (FG) non-prismatic piezolaminated cantilever beam. A two noded beam element with two degrees of freedom (DOF) at each node has been used in the FE formulation. The FG material (i.e. non-homogeneity) in the axial direction has been considered which varies (continuously decreasing from root to tip of such cantilever beam) using a proposed power law formula. The various cross section profiles (such as linear, parabolic and cubic) have been modelled using the Euler-Bernoulli beam theory and Hamilton‘s principle is used to solve the governing equation of motion. The simultaneous variation of tapers (both width and height in length directions) is incorporated in the mathematical formulation. The FE formulation developed in the present work has been compared with the analytical solutions subjected to mechanical, electrical, thermal and thermo-electro-mechanical loading. Results obtained from the present work shows that the axially FG nonprismatic beam generates more output power than the conventional energy harvesting systems. Further, the work has been focussed towards the nonlinear vibration energy harvesting from an axially FG non-prismatic piezolaminated cantilever beam. Geometric nonlinear based FE formulation using Newmark method in conjunction with Newton-Raphson method has been formulated to solve the obtained governing equation. Moreover, a real code GA based constrained optimization technique has also been proposed to determine the best possible design variables for optimal power harvesting within the allowable limits of ultimate stress of the beam and voltage of the PZT sensor. It is observed that more output power can be obtained based on the present optimization formulation within the allowable limits of stress and voltage than that of selection of design variables by trial and error in FE modelling

Interleaved Parton Showers and Tuning Prospects

General-purpose Monte Carlo event generators have become important tools in particle physics, allowing the simulation of exclusive hadronic final states. In this article we examine the Pythia 8 generator, in particular focusing on its parton-shower algorithms. Some relevant new additions to the code are introduced, that should allow for a better description of data. We also implement and compare with 2 to 3 real-emission QCD matrix elements, to check how well the shower algorithm fills the phase space away from the soft and collinear regions. A tuning of the generator to Tevatron data is performed for two PDF sets and the impact of first new LHC data is examined