Performance of a gas-spring tuned mass damper under seismic excitation

Kunjie Rong,Zheng Lu 국제구조공학회 2021 Structural Engineering and Mechanics, An Int'l Jou Vol.80 No.2

A nonlinear gas-spring is integrated into the traditional tuned mass damper (TMD), leading to a novel gas-spring tuned mass damper (GSTMD) system, which can be used to mitigate the structural responses. To better couple the tuned mass damping system, a symmetrical combined gas-spring (SCGS) is presented based on a single gas-spring, and its mechanical properties are investigated through a case study. The design method of the gas-spring TMD is obtained, and its corresponding configuration parameters are calculated. The control performance and damping mechanism of the gas-spring TMD under the random excitation are studied by parameter analysis, and the reliability of the gas-spring TMD’s control performance is also discussed. The results show that the gas-spring TMD has a two-stage damping mechanism, and its working stage can change flexibly with the excitation intensity. Furthermore, the gas-spring TMD has excellent “Reconciling Control Performance”, which not only has a comparable control performance as the linear TMD, but also has significant advantages in working stroke, more importantly, the control performance and working stroke of the gas-spring TMD can reconcile with each other. Besides, the control performance of the proposed damper is insensitive to unpredictable seismic excitations, indicating that the gas-spring TMD has good reliability.

Mass Effect Analysis of a Coil Spring for the Performance Evaluation of a Gas Insulated Circuit Breaker

이대우,손정현,유완석 한국정밀공학회 2014 International Journal of Precision Engineering and Vol. No.

Since the performance of a circuit breaker which has the spring operating mechanism mainly depends on the dynamic behavior ofa coil spring, the analysis of the dynamic behavior of a coil spring is required for a performance evaluation of a circuit breaker. Whena spring moves so fast from the releasing state, a lot of energy is used to move a self-weight of a spring. Thus, the mass effect analysisof a spring operating mechanism is required for the performance evaluation of a circuit breaker accurately. In this study, a releasetest bed is designed for evaluating the dynamic behaviors of a coil spring. Three types of spring models such as a linear spring model,a nodal spring model and a lumped parameter spring model are established for comparing the modeling error of a spring due tothe mass effect. RecurDyn is employed to carry out the computer simulation and results are compared with test results. The actualenergy transferred to the follower during high-speed motion is analyzed through the comparisons of the kinetic energy between theexperiment and the computer simulation.

가스스프링 실린더내의 오리피스 홀을 갖는 피스톤 거동에 관한 연구

정남균 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.12

A gas-spring has been used in many areas and its use is increasing because it can be designed for a range of purposes. In this study, the behavior of a piston with an orifice hole inside the gas-spring cylinder was predicted using computational fluid dynamics (CFD). The piston was designed to reduce the reaction force if the gas-spring is compressed and to move at a low speed when it is returned. The analysis showed that if the initial gas pressure in the gas-spring is increased to a certain level, the speed of the piston would not decrease with time but will remain constant. The effects of orifice hall size on the piston return speed were investigated. Reducing the size of the orifice hole will increase the pressure difference on both sides of the piston, reduce the piston speed, and make it more constant. On the assumption of a constant speed of the piston, a theoretical solution to the return speed of the piston was derived according to the initial gas pressure, and the results for several initial gas pressures were compared with those of CFD. Comparison studies showed similar results for both methods. 가스스프링은 그 사용 목적에 따라 다양한 설계가 가능하여 많은 분야에서 사용되고 있고 그 사용량도 계속하여 증가하고 있다. 본 연구에서는 가스스프링을 압축할 경우 반발력을 감소시키고 피스톤이 복귀할 때 저속으로 복귀할 수 있도록 설계된, 오리피스 홀을 갖는 피스톤의 가스스프링 실린더 내부에서의 거동을 전산유체해석을 이용하여 예측해 보았다. 해석결과 가스스프링 내의 초기 가스압을 일정 수준 이상으로 증가시키면 피스톤의 복귀속도가 시간에 따라 감소하지 않고 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. 오리피스 홀 사이즈가 피스톤 복귀속도에 미치는 영향을 해석을 통해 알아보았다. 오리피스 홀 사이즈를 줄이게 되면 피스톤 양단의 압력 차가 증가하여 피스톤 전진속도가 감소하게 되고 보다 등속으로 운동하게 됨을 알 수 있었다. 마지막으로 피스톤의 속도가 일정하다는 가정에서 초기 가스압에 따른 피스톤의 복귀속도를 이론적인 방법으로 도출하였고, 여러 초기 가스압에 대한 해석 결과와 비교하였다. 비교결과 이론적으로 도출한 해와 해석결과로부터 얻어진 결과 값이 거의 일치함을 알 수 있었다.

차량용 가스스프링의 최적설계에 관한 연구

이춘태(Choon Tae Lee) 유공압건설기계학회 2017 드라이브·컨트롤 Vol.14 No.4

The gas spring is a hydropneumatic adjusting element, consisting of a pressure tube, a piston rod, a piston and a connection fitting. The gas spring is filled with compressed nitrogen within the cylinder. The filling pressure acts on both sides of the piston and because of area difference it produces an extension force. Therefore, a gas spring is similar in function compare to mechanical coil spring. Conversely, optimization is a process of finding the best set of parameters to reach a goal while not violating certain constraints. The AMESim software provides NLPQL (Nonlinear Programming by Quadratic Lagrangian) and GA (genetic algorithm) for optimization. The NLPQL method builds a quadratic approximation to the Lagrange function and linear approximations to all output constraints at each iteration, starting with the identity matrix for the Hessian of the Lagrangian, and gradually updating it using the BFGS method. On each iteration, a quadratic programming problem is solved to find an improved design until the final convergence to the optimum design. In this study, we conducted optimization design of the gas spring reaction force with NLPQL.

2중 실린더 구조를 갖는 인장 가스스프링의 마찰력 변화에 따른 피스톤 거동에 대한 연구

정남균(Nam-Gyun Jeong) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.2

가스스프링은 가스가 압축될 때 가지게 되는 압력을 스프링과 같이 사용하는 형태로, 광범위한 산업분야에 사용되고 있고 그 수요 또한 증가하고 있다. 이 가스스프링은 압축 스프링과 인장 스프링으로 나뉠 수 가 있는데, 압축 스프링과 달리 인장 스프링의 경우는 피스톤 속도 제어에 대한 연구가 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 2중 실린더 구조를 갖는 인장 가스스프링에서의 압력 손실 계산을 통하여 피스톤 반발압력의 크기를 이론적으로 예측하였고, 피스톤과 실린더 사이의 마찰이 작은 경우와 큰 경우에 대하여 피스톤의 실제 거동을 모사해 보았다. 수치해석을 위해서는 유동해석분야에서 가장 널리 사용되고 있는 FLUENT를 이용하였고, 피스톤의 거동을 모사하기 위하여 FLUENT에서 제공하는 6-DOF 모델과 사용자정의함수(User Defined Function)를 사용하였다. 격자는 Layering 기법만으로도 Dynamic mesh가 성공적으로 구현되도록 피스톤 전후의 유동영역을 따로 분할하여 다른 형태의 격자를 생성하였다. 해석 결과 두 경우 다 최종적으로는 목표로 하는 속도로 피스톤이 복귀하는 결과를 보였으나, 최종 속도에 도달하는 과정에서 다른 차이를 보였다. The function of gas springs is based on the compression of a gas. They are used in a wide variety of industries, and demand for them is increasing. Gas springs can be divided into compression and extension springs. Extension springs have not been studied much in relation to control of the piston speed, unlike compression springs. In this study, the magnitude of the piston rebound pressure was theoretically predicted by calculating the pressure loss in a double-cylinder extension gas spring. Numerical simulations of the piston behavior were carried out for small and large amounts of friction between the piston and the cylinder. FLUENT was used for the simulation with a 6-DOF model and UDF to simulate the behavior of the piston. The calculation regions of the front and rear of the piston were separated, and different types of grids were generated in the regions to implement a dynamic mesh using only a layering method. The results show that the piston returns with the target speed in both cases. However, the patterns of the piston behavior reaching the final speed are different.

가스 스프링 높이 조절에 있어 마찰력 감소를 위한 피스톤 로드에 작용하는 가스씰 조임 기술 개발

이정익(Lee, Jeong-Ick) 한국산학기술학회 2015 한국산학기술학회논문지 Vol.16 No.10

본 논문은 대형 텔레비전 스탠드의 높이 조절에 있어 마찰력 감소를 위한 가스 스프링 사용에 대한 연구이다. 대상은 가스 스프링을 사용하는 50인치 이상의 대형 텔레비전의 높이 조절 동작에 적용되었다. 높이 조절 동작에 마찰력 감소를 얻기 위해서는 피스톤 로드에 작용하는 가스 씰 조임 기술을 개발해야 한다. 가스 씰 조임 기술이 작용하기 위해서는 가스 씰 조임 부의 내경, 커팅 각도 설계 및 소재 변경을 통해서 마찰력 향상을 얻을 수 있다. This paper is a study on using gas springs for reduced friction in the elevation of the large television stand. Target is applied to the operation of the elevation over 50-inch television that uses a gas spring. Gas seal lip technology is needed for development acting on the piston rod in order to obtain a reduction in friction in elevation operation. In order to acting on the gas seal lip technology, the improved friction force can be obtained through the inner diameter of gas seal lip, the design of cutting angle and the changes of material.

자동차 TAIL GATE용 GAS SPRING 적용 설계

신찬배,이상화 울산과학대학 2003 연구논문집 Vol.29 No.2

차종마다의 다양한 Tail Gate의 특성에 의해서 Gas Spring을 적용하기 위해서는 많은 문제점을 가지고 있다. 이 논문에서는 Tail Gate와 Gas Spring 사이의 일반적인 관계를 규명하고 향후 개발될 차종에 적용 가능한 설계방법을 제시한다. With the characteristics of various vehicle's tail gates, there are a lot of problems to adapt gas spring. In this paper, we prove the general relations between the tail gate and the gas spring and suggest an adaptive design method.

A novel nonlinear gas-spring TMD for the seismic vibration control of a MDOF structure

Kunjie Rong,Zheng Lu 국제구조공학회 2022 Structural Engineering and Mechanics, An Int'l Jou Vol.83 No.1

A nonlinear gas-spring tuned mass damper is proposed to mitigate the seismic responses of the multi-degree-offreedom (MDOF) structure, in which the nine-story benchmark model is selected as the controlled object. The nonlinear mechanical properties of the gas-spring are investigated through theoretical analysis and experiments, and the damper’s control parameters are designed. The control performance and damping mechanism of the proposed damper attached to the MDOF structure are systematically studied, and its reliability is also explored by parameter sensitivity analysis. The results illustrate that the nonlinear gas-spring TMD can transfer the primary structure’s vibration energy from the lower to the higher modes, and consume energy through its own relative movement. The proposed damper has excellent “Reconciling Control Performance”, which not only has a comparable control effect as the linear TMD, but also has certain advantages in working stroke. Furthermore, the control parameters of the gas-spring TMD can be determined according to the external excitation amplitude and the gas-spring’s initial volume.

휠체어용 리클라이너의 중력보상 메커니즘 최적화 설계 기법

김세영,김광준,박철훈,박찬훈,허필원,구광민 대한기계학회 2024 大韓機械學會論文集A Vol.48 No.1

본 연구에서는 휠체어용 리클라이너의 구동 힘을 최소화할 수 있도록 가스 스프링의 설치 위치를 조정하여 중력보상 메커니즘을 최적화하는 방법을 제안하였다. 리클라이너는 좌판 양측에 있는 평행사변형 링크 구조를 통해 등판과 발판이 서로 동기화되어 같은 방향과 각도로 움직이도록 구현되었으며, 해당 평행사변형 링크 내부에 힘 방향이 서로 교차되도록 설치된 가스 스프링과 리니어 구동기의 조합 힘을 통해 탑승자 정하중이 보상되도록 설계되었다. 가스 스프링의 최적 설치 위치는 리클라이닝 모션 시 수동기계 요소에 의한 중력보상을 최대화하고 동시에 능동 구동기의 평균 발생힘을 최소화시키는 목적 함수와 해당 기계요소들의 스펙과 설치조건을 각각 구속 및 경계 조건으로 갖는 비선형 최적화 알고리즘을 도입해 계산하였다. 이때, 전역 최적해를 얻기 위해 다양한 초기값을 사용하였으며, 결과적으로 가스 스프링의 수동 힘을 최대한 활용하면서 구동기가 낼 수 있는 최대 힘을 넘지 않는 조건을 만족하도록 중력보상이 이루어졌다. 해당 최적화 과정은 평행사변형 링크 구조를 포함하는 다양한 자세변환 시스템에서 활용될 수 있을 것으로 기대한다. In this study, gravity compensation of a wheelchair recliner was optimized to minimize the driving force of a recliner by adjusting the installation position of gas springs. The combined force of the gas spring and linear actuator compensate for the static load of occupant, where the force directions of the active and passive power sources cross each other inside the parallelogram links of the recliner. The optimal installation of the gas springs were determined via a non-linear optimization algorithm. The objective function of the algorithm involves simultaneous maximization of gravitational torque compensation by the gas springs and minimization of the average generated force of the linear actuators. The results showed that gravity compensation satisfies the condition of not exceeding the maximum force that the actuator can generate while maximizing the use of the passive force of the gas springs. The proposed optimization is expected to be used in various mechanical systems including parallelogram link structures.

휠체어용 자세변환 장치의 중력보상 메커니즘 최적화 설계 기법

김세영,박철훈,박찬훈,허필원,구광민 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.12

In this study, optimizing the mounting location of gas springs was proposed for an electric wheelchair with posture change unit to reduce the actuator torques. A simple parallelogram structure as lower part of the posture change unit structurally absorbs reaction torque from the upper part such that both parts of the seating unit can independently rotate without coupling each other. The optimization was therefore separately executed in each joint to compensate gravitational torque as much as possible by determining the optimal mounting position of gas springs. The gas spring specification and installation conditions were adopted from commercial products, and certain features of the specification were used as optimization constraints and boundaries. The results showed that the torques produced by the gas springs were largely balanced with the gravitational torques, indicating that the proposed optimization method could be used for parallelogram linkage system to efficiently work with less actuator torques. 본 연구에서는 가스 스프링을 활용하여 전동 휠체어용 자세변환장치의 중력보상 메커니즘을 최적화하는 방법을 제안하였다. 자세변환장치는 하단부에 평행사변형 링크 구조를 포함하도록 설계하였기에 상단부에서 전달되는 리액션 토크를 구조적으로 흡수할 수 있으며, 이로 인해 상부와 하부 각각 작용/반작용에 의한 토크 커플링 없이 독립적인 회전이 가능하고, 각도불변 기준면이 확보되어 개별적인 중력보상이 가능하다. 중력토크를 보상하기 위해 카운터밸런스 토크를 발생시키기 위한 힘 자원으로 추가부품없이 단독 활용 가능한 가스 스프링을 선정하였으며, 중력토크보상률을 최대화하는 가스 스프링의 설치 위치를 최적화 과정을 통해 계산하였다. 구속 조건 및 경계 조건은 상용 제품의 스펙과 설치 조건, 기구부 치수 등을 토대로 세팅되었으며, 전역 최적해를 얻기 위해 다양한 초기값이 사용되었다. 주어진 설계 조건을 고려할 때 합리적인 중력보상이 이루어졌으며, 가스 스프링을 활용하는 해당 최적화 과정은 평행사변형 링크 구조를 포함하는 다양한 시스템에 적용될 수 있다.