Stability and synthetic damping of a third order control system affected by backlash viscous and coulomb friction

Summary A Control System for a resonant mechanical loads affected by backlash and Coulomb friction may encounter severe stability problems if load feedback is used.The stability condition for a simple system including the above effects and a pure integration in the forward path is first determined, based upon natural damping only.Some damping augmentation techniques useful for improving the stability conditions are then evaluated both theoretically and by analog simulation means; the need for Coulomb friction to damp small amplitude oscillations is also demonstrated.The study is particularly devoted to accurate positioning control systems where load feedback has to be used to compensate for backlash errors.

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Sommario In un servosistema con carico risonante soggetto a giochi ed attrito Coulombiano possono sorgere notevoli problemi di stabilità nel caso che il segnale di retroazione venga prelevato sul carico.Lo studio determina, nella prima parte, le condizioni di stabilità per un sistema con integrazione semplice sulla catena diretta, soggetto simultaneamente a tutte le condizioni di cui sopra: in tali termini non risulta dalla letteratura (ampiamente esaminata) che il problema sia stato affrontato da altri Autori.Successivamente vengono esaminati taluni metodi, di cui uno originale, che consentono di migliorare le condizioni di stabilità e quindi le prestazioni del sistema: lo studio teorico è confermato da un'ampia serie di simulazioni mediante calcolatore analogico.Viene inoltre dimostrata la necessità di un valore relativamente modesto dell'attrito Coulombiano per lo smorzamento delle piccole oscillazioni.Lo studio è dedicato particolarmente a quei sistemi di posizionamento automatico nei quali si impiega la retroazione sul carico ai fini della compensazione degli errori dovuti ai giochi.

     

A new algorithm for workspace analysis for robot manipulators

Summary A new algorithm to determine the workspace of a robot manipulator is presented in this paper. The method is based on the concept of dividing the robot structure into a regional structure and an orientational structure and is much more efficient than many methods currently available. Another advantage is that the method is expedient to plot the contours of the workspace of a robot manipulator on an arbitrarily defined plane or determine the extreme points along a general direction. The problem of determining subspaces of different joint configurations is also addressed and a method to compute them is proposed. Since for an ordinary industrial robot the regional structure is usually solvable to the first three joint variables, the method proposed is efficient computationally. The applicability of the method is demonstrated by some numeric examples.

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Sommario Nel lavoro viene presentato un nuovo algoritmo per determinare il campo di lavoro di un manipolatore robotico. Il metodo utilizza il concetto di dividere la struttura del manipolatore ad una struttura regionale ed una struttura orientamentale ed è molto più efficace di molti metodi esistenti. Un altro vantaggio del metodo è che esso è conveniente per disegnare i contorni del campo di lavoro su un piano specificato arbitrariamente oppure per determinare i punti estremi lungo una direzione generale. Nel lavoro è studiato anche il problema di determinare i sottospazi di configurazioni diverse dei giunti e viene presentato un metodo per calcolarli. Siccome per un robot industriale la struttura regionale è normalmente risolubile per le prime tre variabili dei giunti, il metodo presentato è molto efficace computazionalmente. L'applicabilità del metodo è dimostrata da qualche esempio numerico.

     

Accurate numerical integration of Drucker-Prager's constitutive equations

The paper illustrates the application of a general two-step integration scheme for the rate plasticity equations to the case of Drucker-Prager's model with linear mixed hardening and associated flow rule. The integration scheme coincides, for the case of the Mises equations, with a tangent predictor-radial return method with automatic sub-incrementation, the sub-increment size being governed by a predefined tolerance on the value of the yield stress. However, in contrast with the integration methods commonly adopted in several codes, the return step is here based on a precisely formulated rate problem, and it is not necessarily a radial one, in general. Thus, the accuracy characteristics of the method should carry over to every constitutive model tackled, depending only on the choice of the tolerance parameter value. The application of the integration scheme to Drucker-Prager's equations shows that the accuracy is in fact comparable to that obtained in the Mises case, for similar values of the tolerance parameter; at the same time some peculiarities of Drucker-Prager's yield condition, most notably the presence of a singular point in the stress space, highlight the flexibility and generality of the proposed method. Its theoretical basis, in fact, holds for vector-valued yield functions, thus automatically incorporating the treatment of the cases in which the stress points reach a corner in the yield surface.

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Sommario Il lavoro illustra l'applicazione di uno schema di integrazione a due passi delle equazioni della plasticità incrementale al caso del modello di Drucker-Prager con incrudimento lineare misto e legge di scorrimento associata. Lo schema di integrazione si riduce, per il modello di Von Mises, a un metodo tangent predictor-radial return con subincrementazione automatica. L'ampiezza dei subincrementi è governata da una tolleranza prefissata sul valore dello sforzo di snervamento. A differenza dei metodi di integrazione comunemente impiegati in diversi codici di calcolo, il passo di ritorno qui è basato su un problema incrementale ben formulato, e non è necessariamente un passo radiale, in generale. In questo modo le caratteristiche di accuratezza del metodo non dovrebbero dipendere dalla legge costitutiva adottata, ma solo dal valore scelto della tolleranza. In effetti, l'applicazione del metodo alle equazioni di Drucker-Prager mostra che l'accuratezza ottenibile è paragonabile a quella ottenuta per il caso di Von Mises. Allo stesso tempo alcune caratteristiche della condizione di Drucker-Prager, in particolare la presenza di un punto singolare nello spazio degli sforzi, evidenziano la flessibilità e la generalità di applicazione del metodo studiato. Esso infatti ha basi teoriche valide anche per superfici di snervamento vettoriali, che incorporano perciò automaticamente il trattamento dei casi in cui lo sforzo si trova in punti angolosi.

     

Accurate solutions and stability criterion for periodic oscillations in hysteretic systems

Summary The study of the periodic response of hysteretic oscillators is reduced to that of nonlinear elastic oscillators by assuming an incremental formulation for the constitutive relationship. The harmonic balance method with many components allows for accurate periodic solution computation. The Floquet theory can be used to check stability. Developed equations are applied to the study of frequency response curves of a hysteretic oscillator that, although simple, shows both degrading and non degrading behaviour. The results reported clearly show the shortcomings of traditional methods; the influence of higher harmonics is far from negligible.

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Sommario Nello studio della risposta periodica degli oscillatori isteretici si incontrano difficoltà dovute alla natura non olonoma del legame costitutivo. Nel presente lavoro queste difficoltà vengono superate in parte adottando una formulazione incrementale che riconduce il caso isteretico a quello elastico non lineare seppure al prezzo di un allargamento dello spazio delle variabili di stato. Le soluzioni periodiche sono determinate seguendo il metodo del bilancio armonico con molte componenti; la stabilità viene analizzata con la teoria di Floquet. Le equazioni sviluppate sono utilizzate per determinare le curve di risposta in frequenza sotto una forzante sinusoidale, di un oscillatore che, benchè semplice, presenta una notevole varietà di comportamento. I risultati ottenuti mostrano chiaramente le lacune dei metodi tradizionali; l'influenza delle armoniche superiori in molti casi è ben lungi dall'essere trascurabile.

     

General stress analysis method by means of integral equations and boundary elements

Summary This paper concerns an integral equation method for the numerical solution of the linear problems of elasticity of the homogeneous continuum. The mathematical form adopted is sufficiently general to refer to both plane and three dimensional analysis as well as to analysis of plates and specialized axisymmetric cases.Having indirectly deduced the integral equations, the resolving procedure is based on variational principles and uses a convenient discretization of the boundary through the use of finite elements.Particular attention is given to the definition of the asymptotic conditions of the elementary displacement field to theoretically ensure a priori the conditioning of the resolving algebraic equations without any restriction as regards the nature of the boundary and the conditions thereby imposed.Efficiency, praticality and flexibility of use are characteristics particular of this method and have already been widely tested by the author in varying applications. Further information on the above can be found in the bibliography cited.

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Sommario Nella presente memoria si delinea un metodo di calcolo fondato sulle equazioni integrali per la soluzione numerica dei problemi lineari di elasticità del continuo omogeneo. La veste matematica adottata é sufficientemente generale perché possa riferirsi all'analisi sia dello stato triplo sia dello stato piano di deformazione o di tensione, come pure all'analisi delle lastre e dei casi specializzati assialsimmetrici.Dedotte per via indiretta le equazioni integrali, il procedimento risolutivo è fondato su principi variazionali e si avvale di una conveniente discretizzazione del contorno mediante elementi finiti.Particolare attenzione è rivolta a definire le condizioni asintotiche dei campi elementari di spostamento al fine di assicurare teoricamente a priori il condizionamento delle equazioni algebriche risolventi, senza alcuna restrizione per quanto riguarda la natura del contorno e le condizioni ivi imposte.L'efficienza, la praticità e la flessibilità d'impiego sono caratteristiche peculiari del metodo, per altro già ampiamente collaudato dall'autore in diverse applicazioni di cui possono trovarsi notizie nella bibliografia citata.

     

Upper and lower bounds for the average value and for the variance of the safety coefficients of structures with random resistance

Summary By going back to a theorem[1] [2] which gives an upper bound of the average plastic collapse load of a structure whose elements have random resistance, a method is demonstrated for supplying a lower bound.It will then be shown how it is possible to find an upper and a lower bound of the variance of collapse load of all structures conceivable in terms of random resistance.As far as limit analysis is concerned only a deterministic calculation is requested by the above methods.

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Sommario Richiamato un teorema[1] [2] che fornisce un maggiorante della media dei moltiplicatori di collasso plastico di una struttura dotata di elementi a resistenza aleatoria, si dimostra come sia possibile fornirne un minorante. Si dimostra poi come sia possibile fornire un minorante ed un maggiorante della varianza dei moltiplicatori di collasso.I limiti indicati sono, benchè basati su quantità fornite dalla elaborazione di variabili aleatorie, calcolati con criteri deterministici dal punto di vista dell'analisi limite.

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The results presented in this paper were obtained in the course of research sponsored by the C.N.R.     

Minimum Theorems and Iterative Solutions Methods for Creep Cyclic Loading Problems

In recent years a particular programming method, the linear matching method, has been particularly successful in the evaluation of optimal upper bounds to shakedown limits for an elastic perfectly plastic body. The method applies to any convex yield condition with an associated flow rule and sufficient conditions for convergence exist. For creep constitutive equations and for a body under cyclic loading, there exist a class of cyclic solutions, the so called 'rapid cycle' solutions for which the residual stress field remains constant throughout the cycle. In this paper an upper bound theorem for the rapid cycle solution is derived and related to the upper bound shakedown theorem. This allows the linear matching method to be extended to this class of creep problems. A sufficient condition for convergence is derived. For a flow potential expressed in terms of a Von Mises effective stress, the sufficient condition is shown to be a simple and common property of creep equations. Sommario. Recentemente, un particolare metodo di programmazione, detto del materiale elastico equivalente, si è rivelato particolarmente efficiente nella valutazione della delimitazione superiore ottimale del limite di adattamento di solidi idealmente elasto-plastici. Il metodo vale con riferimento a qualunque condizione di plasticità convessa con legge di scorrimento associata e sono disponibili condizioni sufficienti di convergenza. Nel caso di legami costitutivi viscosi, per solidi soggetti a carichi ciclici esiste una classe di soluzioni, dette di 'ciclo rapido', in cui gli sforzi residui si mantengono costanti nel ciclo. In questo lavoro si deriva un teorema di delimitazione superiore per le soluzioni di ciclo rapido, che viene relazionato al corrispondente teorema di adattamento. Ciò permette di estendere il metodo del materiale elastico equivalente a questa categoria di problemi viscosi. Una condizione sufficiente per la convergenza del metodo viene anche dimostrata. Nel caso di un potenziale espresso in termini dello sforzo equivalente di von Mises, tale condizione si rivela essere una semplice e comune proprietà del legame costitutivo.     

A boundary-integral equation method for free surface viscous flows

Summary A boundary integral equation method is proposed for the solution of viscous recirculating flows with free surfaces. In particular the method is applied to thermocapillary convection and to drop formation, both in micro-gravity conditions, the latter to test its capability to handle real unsteady problems.The presence of non linear terms in Navier-Stokes equations leads to a volume integral, which has to be approximated by a linearization procedure.Several numerical results for thermocapillary flows, both with fixed and moving free surface, are discussed in comparison with previously obtained finite difference solutions. Some preliminary results, and in particular the time evolution of the free surface shape, are also presented for the drop formation problem. Only plane two dimensional fields are considered for both problems.

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Sommario Si propone un metodo basato sulla soluzione di equazioni integrali di contorno per flussi viscosi con superficie libera. Tale metodo è applicato allo studio della convezione termocapillare ed al processo di formazione di una goccia, entrambi in condizioni di microgravità. La presenza dei termini non lineari nell'equazione di Navier-Stokes comporta un integrale di volume che viene approssimato mediante un processo di linearizzazione.Risultati numerici per flussi termocapillari con superficie libera sia fissa che mobile sono confrontati con altri ottenuti in precedenza con un metodo alle differenze finite. Si presentano inoltre alcuni risultati preliminari sul problema della formazione della goccia ed in particolare l'evoluzione nel tempo della configurazione geometrica della superficie libera. Nei due casi si analizzano solo campi bidimensionali.

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Presented at the VII National Conference AIDAA, Naples, September 1983.

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In leave of absence from Tianjin University, China.     

MHD boundary layer equations for power-law fluids with variable electric conductivity

The boundary layer in a power-law fluid flowing in the presence of a transverse variable magnetic field is investigated. Assuming the electric conductivity of the fluid is dependent on its velocity, Meksyn's method is used to get an analytical solution for the velocity field and the coefficient of friction. The effect of the magnetic field is then discussed.

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Sommario Lo scopo di questo lavoro è di studiare lo strato limite laminare con relazione costitutiva a legge di potenza bidimensionale di un fluido non-newttoniano incompressibile elettroconduttore che scorre lungo una parete piana in presenza di un campo magnetico trasversale e di una pressione esterna. La conducibilità elettrica del fluido viene assunta come funzione della velocità nella forma =₀ u, dove ₀ è costante eu è la velocità del flusso parallela alla parete. L'equazione base è stata risolta applicando il metodo di Meksyn per ottenere una soluzione analitica per la velocità ed il coefficiente di attrito. Viene inoltre discusso l'effetto del campo magnetico e la variazione della conducibilità elettrica.

     

Synthetic interpretation of attitude dynamics of a spinning satellite under continuous and pulsed torques

Summary The problem of the dynamics of a rigid satellite in the case of no damping has been thoroughly treated in several papers[1]; less literature is available on the problem of damped satellites.Furthermore, the formulas describing the dynamics are quite complicated and so their interpretation is not straightforward.This study presents the results of one attempt to interpret the dynamics on the basis of relatively simple physical and cinematic considerations, which lend themselves to an easy interpretation of the performance and a simple determination of the most critical cases, for continuous and pulsed external torques both in the damped and undamped cases.

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Sommario Il problema della dinamica di un satellite rigido è stato trattato a fondo in vari articoli[1] in assenza di smorzamento. Esistono pochi articoli viceversa sul problema di satellite smorzato.Le formule che ne descrivono la dinamica sono assai complicate e di conseguenza la loro interpretazione non è immediata.Questo studio presenta i risultati di un tentativo di interpretazione della dinamica basato su considerazioni fisiche e cinematiche particolarmente semplici, che si prestano ad una facile interpretazione del funzionamento e a una chiara rappresentazione dei casi più critici sia in corrispondenza di eccitazione esterna a coppia costante che impulsiva.

     

Vorticity shedding from a lentil-shaped body at large incidence in uniform flow

The 2D flow about a lentil-shaped body at high incidence in uniform stream is numerically simulated for high Reynolds numbers. The separation points are fixed on the body edges and the vorticity released through a Kutta-like condition is spatially discretized by point vortices. Their Lagrangianinviscid dynamics is described by using both aconformal mapping and aboundary elements method. The present results are in good agreement with previous calculations but still not satisfactory when compared with the experiments.The aim of the present work is to investigate the effect of different Kutta conditions and the effect of different amalgamation procedures in the far wake on global quantities such as theStrouhal number or the total shed circulation. Other remarkable effects induced either by the action of viscosity or by the rising of secondary 3D motion, may not be analyzed by the present simplified model.

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Sommario Si studia il flusso attorno ad una lente ad elevata incidenza nelle ipotesi di elevato numero di Reynolds e flusso bidimensionale. I punti di separazione sono fissati sulle estremità della lente e la produzione di vorticità da questi è realizzata con opportune condizioni di Kutta. La dinamica dei vortici è descritta con un modello Lagrangiano non viscoso. I risultati, ottenuti sia con l'uso di una trasformazione conforme che con un metodo agli elementi di contorno, sono in ottimo accordo con i risultati di precedenti simulazioni numeriche, ma non sono ancora soddisfacenti se confrontati con gli esperimenti.Si analizza in termini di grandezze globali del flusso, quali il numero di Strouhal e la circolazione totale rilasciata, l'effetto di due diverse condizioni di Kutta e dell'uso di procedure di compattazione della scia lontana. Si conclude che l'uso di diverse condizioni di Kutta produce risultati pressoché identici mentre l'utilizzo di procedure di compattazione della scia può alterare in modo significativo il numero di Strouhal del flusso. Rimangono da analizzare altre possibili cause del disaccordo con le sperimentazioni quali la diffusione viscosa e la probabile presenza di moti tridimensionali.

     

On the Role of Vibrational Excitation in Hypersonic Flow Computations

Abstract. The paper investigates the influence of the thermochemical modeling on the flow-field properties for both compressing and expanding flows. For the nitrogen hypersonic flow over a cylinder a comparison between a model neglecting vibrational energy and two-temperature Park's nonequilibrium model has been performed in a wide variety of experimental and free flight conditions. It is shown that the differences are confined in a thin layer behind the bow shock while the overall flow properties are slightly affected. For the expanding air flows inside hypersonic facilities, besides the two models mentioned above, vibrational equilibrium and CVDV model have been compared. It was found that vibrational nonequilibrium can not be disregarded but no discernible differences have been observed between Park's and CVDV model results, unless the enthalpy is very large.Sommario. L'articolo analizza l'influenza della modellizzazione termochimica sul campo fluidodinamico nel caso di flussi ipersonici sia in compressione che in espansione. Per il flusso di azoto attorno ad un cilindro è stato effettuato un confronto fra un modello che trascura l'energia vibrazionale ed il modello di non-equilibrio a due temperature di Park. L'analisi è stata condotta per un ampio intervallo di variazione dei parametri caratteristici comprendente condizioni sia di volo che di prove in laboratorio. Il confronto ha mostrato che l'effetto del non-equilibrio vibrazionale è sempre limitato ad una regione molto sottile dietro l'onda d'urto e che l'influenza sulle proprietà generali del flusso è in ogni caso modesta. Per il caso dei flussi in espansione in gallerie ipersoniche si è invece assunto come gas l'aria ed oltre ai due modelli già menzionati sono stati utilizzati anche il modello di equilibrio vibrazionale ed il modello CVDV. Si è osservato che per i flussi in espansione il non-equilibrio vibrazionale non può essere trascurato ma che comunque i modelli di Park e CVDV sono sostanzialmente equivalenti tranne nei casi di valori molto elevati dell'entalpia totale.     

Motion errors analysis and a contribution to numerical inverse kinematics for robot manipulators

Summary Since, for actual industrial robots, the kinematic models present certain inaccuracies due to a number of effects such as the mechanical tolerances, deformations of mechanical elements etc., the theoretic models must be modified to compensate the position and orientation errors. In this paper, methods of redeveloping the actual kinematic models and of compansating the theoretic models are presented. Besides, a simple method for calculation of the matrices of partial derivatives of the position and orienation vector with respect to link parameters vectors is also presented. Theoretically, the position and orientation errors due to the inaccuracy of link parameters can be eliminated by finding the actual joint coordinates. If the inverse kinematics of a robot has not closed-form solution, it's solved by numerical methods. We know that the selection of the initial point on iteration for a numerical iterative method is very important for the convergence and the converging velocity. In this paper, a reasonable selection for this point based on the analytic solution of a similar, but simpler robot, is proposed. According to this selection, the iterative procedure will almost always converge rapidly to a real solution within the physical joint ranges.

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Sommario Siccome per i robots industriali attuali, i modelli cinematici presentano certi errori dovuti ad una serie di effetti, come ad esempio le tolleranze meccaniche, le deformazioni degli elementi meccanici, ecc., i modelli teorici devono essere modificati allo scopo di compensare gli errori di posizionamento e di orientamento. In questo lavoro si presentano il metodo di risviluppare i modelli cinematici reali ed il metodo di compensare i modelli teorici. Inoltre, nel lavoro si presenta anche un metodo semplice per calcolare le matrici delle derivate parziali del vettore di posizionamento e di orientamento rispetto ai vettori dei parametri cinematici. In teoria, l'errore dovuto agli errori di parametri cinematici puó essere eliminato trovando le coordinate attuali dei giunti. Se la cinematica inversa di un robot non ha la soluzione in forma chiusa, essa è risolta con i metodi numerici. Si sa che la scelta del punto iniziale di iterazione per un metodo iterativo è molto importante per la convergenza e la velocità di convergenza. Per questo punto si propone una scelta ragionevole basata sulla soluzione analitica di un robot simile, ma più semplice. A seconda di questa scelta, la procedura iterativa può convergere quasi sempre rapidamente ad una soluzione reale entro i limiti dei giunti.

     

Biaxial stress effects on the elastic-plastic crack-tip displacement fields

Summary A plane stress, finite element analysis of the monotonic loading of a Mode I stationary crack under small scale yielding using a boundary layer approach is presented. A small-strain,J ₂ plasticity theory is used in conjunction with a linear hardening material model. The effects due to the inclusion of the non-singular elastic T-stress in the asymptotic boundary conditions on the elastic-plastic fields near the tip are investigated. This parameter, which accounts for the inherent biaxial stress state at a crack tip, is found to control extension and state of deformation of the plastic zone. The full-field numerical solutions are also used to simulate moirè interferometric fringe patterns in order to assess earlier detailed experimental observations.

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Sommario Viene presentato uno studio agli elementi finiti con un approccio allo strato limite del caricamento monotono seconda il Modo I di una fessura stazionaria in condizioni di stato di tensione piana e plasticità contenuta. Viene esaminata in particolare l'influenza che la componente tensionale elastica trasversale nonsingolare (i.e. T-stress) delle condizioni al contorno ha sullo stato di sollecitazione elasto-plastica all'apice della fessura. Si osserva che questo parametro dello stato di biassialità all'apice di fessure controlla sia l'estensione della zona plastica che lo stato deformativo al suo interno. Le soluzioni numeriche vengono inoltre impiegate per simulare sistemi di frange moirè interferometriche fornendo così un utile strumento di confronto con precedenti risultati sperimentali.

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Portions of this paper are included in the Proceedings of 9.th Congress of AIMETA, Bari, 1988.     

Elastoplastic stress and strain diffusion in a rhomboidal steel panel

Summary The stress and strain analysis of plane structural elements is now quite feasible due to the latest advancements in both theoretical and experimental methods. The so called Modified Gradient Method for Finite Element Elastoplastic Analysis (by quadratic programming [7]) and the Plane Moiré Interferometric Method [4] are particularly effective in the analysis of post-elastic behaviour. In this work the principles and operational aspects of both methods are discussed first; then the plane, rhomboidal panel, stiffened and loaded along the principal diagonal is considered, so that both numerical and experimental results are obtained and closely compared. This comparison is interesting as very often it is difficult to check the reliability of advanced theoretical methods or advanced experimental techniques due to the lack of data (experimental in the first case, numerical in the second). The agreement between numerical and experimental results is fairly good. Some differences, limited to the zones of minor plastic strains, emphasize how important it is for the constitutive law (adopted in the numerical analysis) to follow the actual material behaviour, as closely as possible.

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Sommario Il comportamento post-elastico di un elemento strutturale piano può essere del tutto analizzato grazie agli sviluppi più recenti dei metodi di indagine, sia numerici che sperimentali. Di particolare efficacia risultano il metodo del gradiente modificato (basato sulla programmazione quadratica e sull'impiego degli elementi finiti, [7]) ed il metodo interferometrico del moiré piano [4]. I due metodi vengono illustrati nei principi e negli aspetti operativi, in vista dell'applicazione in parallelo al pannello piano, a rombo, irrigidito e teso lungo la diagonale principale. Tale applicazione è resa interessante dalla constatazione che spesso nel campo post-elastico è difficile valutare l'affidabilità di metodi di calcolo sofisticati per mancanza di adeguati dati sperimentali, ovvero le tecniche sperimentali più avanzate (di natura interferometrica) necessitano di conferma numerica non sempre disponibile. L'esame comparato dei risultati mostra un più che soddisfacente accordo per spostamenti e deformazioni, e permette di osservare che l'analisi statica puntuale richiede un rispetto quanto più possibile completo della legge costitutiva effettiva del materiale.

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The topics of this research work were presented at the XIX-th Polish Conference on Solid Mechanics, held in Ruciane-Piaski, 7-16.9.1977.     

The lift computation for an oscillating flat plate in incompressible potential flow

The initial aim of this work was the estimation of the lift acting on a flat plate performing small oscillations in a plane uniform stream by means of a simplified model based on one or at the most two lumped vortices, and the assessment of its results by comparison to those that were exact. The model was found to work well up to a reduced frequency of about 1 or 2, above which the results diverged from those that were correct. In order to improve the model, its behaviour at very high frequencies was then investigated, discovering: (i) that if the number of lumped vortices is greater than one the possibility to impose all boundary conditions is subject to certain geometrical constraints; (ii) that the asymptotical behaviour is not the right one. A straightforward extension of this conclusion to the exact case of a continuous, vorticity distribution simulating the motion of the plate and to the classical equation describing it leads apparently to an incorrect result. The reason for the discrepancy is found in the singularity displayed by the integral equation which cannot be reproduced by the discrete model. It this therefore concluded that the latter can be trusted at low and middle frequencies but its extension to higher ones is fundamentally uncorrect.

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Sommario Lo scopo iniziale di questo lavoro era il calcolo approssimato della portanza agente su una lamina piana soggetta a piccole oscillazioni in una corrente bidimensionale uniforme per mezzo di un modello semplificato basato su uno o al più due vortici concentrati, e il confronto dei risultati con quelli esatti. Il modello risulta funzionare bene per frequenze ridotte inferiori ad 1 o 2, sopra le quali, tuttavia, i risultati si allontanano da quelli corretti. Per migliorarlo si è allora studiato il suo comportamento alle frequenze molto alte, scoprendo che: (i) la possibilità di imporre tutte le condizioni al contorno quando il numero dei vortici concentrati è superiore a uno è soggetta a certe limitazioni sulla configurazione geometrica; (ii) che il comportamento asindotico non è quello corretto. Un'estensione automatica di questa conclusione al caso esatto in cui il moto della lamina è simulato da una distribuzione continua di vorticità e alla classica equazione che lo descrive sembra condurre ad un risultato errato. La ragione di questa discrepanza viene individuata nella singolarità contenuta nell'equazione integrale, che non può essere riprodotta dal modello discreto. Se ne conclude perciò che esso è utilizzabile alle basse e medie frequenze ma che una sua estensione alle alte è fondamentalmente errata.

     

An analytical approach to the dynamics of rotating shafts

An analytical procedure, based on the dynamic stiffness method, is proposed for the study of rotor dynamics problems. On the grounds of the governing differential equations of a continuous beam, the dynamic stiffness matrix of the rotating Timoshenko beam is derived, including the effects of translational and rotational inertia, gyroscopic moments and shear deformation of the shaft. Concentrated disks and isotropic, elastic bearings are taken into account in the element formulation. The results obtained by the proposed method are compared with both classical closed form solutions and finite element analyses taken from the literature.

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Sommario Nel presente lavoro viene esposto un procedimento analitico, basato sul metodo della rigidezza dinamica, per lo studio del comportamento dinamico dei rotori. In particolare, è ricavata la matrice di rigidezza dinamica della trave di Timoshenko rotante, che consente di tenere conto degli effetti dell'inerzia alla traslazione e alla rotazione, del momento giroscopico distribuito e della deformazione a taglio della trave. Nell'ambito della formulazione proposta, è possibile considerare, mediante inserimento diretto nella matrice di rigidezza dinamica, gli effetti dovuti alla presenza di dischi e di supporti elastici isotropi. Il metodo proposto è applicato alla determinazione delle velocità critiche di sistemi rotanti, con riferimento sia a casi semplici, per i quali è nota la soluzione analitica, sia al caso piu' complesso di un rotore già studiato in letteratura; per quest'ultimo esempio, in particolare, è presentato un confronto con i risultati delle analisi agli elementi finiti svolte da altri autori.

     

On the formal structure of continuum mechanics Part I: Deformation theory

Summary The purpose of this and of following papers is to give an operator form to the equations of statics of continuous media in the case of small deformations (linear case) and of large deformations (non linear), aiming to obtain a unitary view of many known results in linear and nonlinear mechanics. In this paper an operator version of compatibility equations for large deformations, is given introducing a nonlinear operator that will be shown to be of the potential type. Some new results follow, namely a variational formulation of compatibility conditions extending a similar result obtained by the author in the small deformation theory. This formulation in three-dimensional space is similar to that of Einstein describing the gravitational field in space-time. An operational version of Bianchi's identities and a construction of boundary compatibility conditions are also given.

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Sommario In questa nota e in altre che seguiranno ci si propone di dare una versione operatoriale delle equazioni della statica dei continui deformabili sia a piccole deformazioni (caso lineare) che a deformazioni finite (non lineare), al fine di ottenere una visione unitaria di molti risultati noti nella meccanica lineare e non lineare. In questa nota si dà forma operatoriale alle condizioni di congruenza per deformazioni finite, introducendo un operatore nonlineare che sarà mostrato essere di tipo potenziale. Di qui seguono alcuni risultati nuovi: la formulazione variazionale delle condizioni di compatibilità che estende un risultato precedente dell'autore nella teoria delle piccole deformazioni. Questa formulazione nello spazio geometrico tridimensionale è del tutto identica a quella di Einstein che descrive il campo gravitazionale nello spazio-tempo. Si da altresì interpretazione operazionale alle identità di Bianchi e una costruzione delle condizioni di congruenza al contorno.

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This work has been supported by C.N.R.     

On the uniqueness of viscous compressible fluid motions in unbounded domain

Summary Employing the weight function approach it is showed a uniqueness theorem for the euqations governing the motion of a viscous compressible fluid, in unbounded domains. The theorem does not require that the density of the fluid be bounded from below by a positive constant. Moreover, no boundedness assumption is made on the velocity, temperature, density and their first derivatives.

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Sommario Con l'uso del metodo della funzione peso si dimostra un teorema di unicità per le equazioni dei fluidi viscosi compressibili, in domini non limitati. Non si richiede che la densità del fluido sia inferiormente limitata da una costante positiva. Inoltre, la velocità, la temperatura e la densità con le loro derivate prime possono essere anche non limitate.

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Work performed under auspices of GNFM of italian CNR.     

Shock-fitting method for two-dimensional inviscid,steady supersonic flows in ducts

Summary A numerical technique to solve the Euler equations for two-dimensional, steady, inviscid, supersonic flows in ducts is presented. The technique is second-order accurate and is based on the-scheme plus shock-fitting method. Many cases have been tested. The method used and the results obtained demonstrate the versatility of the technique specially if confronted with analogous methods that use shock-capturing techniques.

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Sommario Viene presentato un metodo numerico per l'integrazione delle equazioni di Eulero per flussi supersonici, bidimensionali, stazionari, non-viscosi in condotti. La tecnica, che possiede una accuratezza del secondo ordine, è basata sui metodi del-scheme e dello shock-fitting. Molti sono stati i casi provati. Il metodo usato ed i risultati ottenuti dimostrano la versatilità della tecnica, specialmente se confrontata con metodi analoghi che fanno uso di tecniche shock-capturing.