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.

     

Stability conditions for elastic-plastic prandtl-reuss solids

Summary The algebraic condition ensuring the validity of Hadamard's criterion of local stability in a Prandtl-Reuss solid is examined. Four fundamental situations depending on the possible transitions of state are considered.

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Sommario Si esaminano le condizioni algebriche assicuranti la validità del criterio di Hadamard di stabilità locale in un solido di tipo Prandtl-Reuss. Quattro situazioni fondamentali dipendenti dalle possibili permanenze o conversioni di stato sono considerate.

     

On the phase transitions in fluid mixtures

Summary The integral equations of balance for a binary fluid mixture are stated when the mixture presents two phases which are separated by an interface. The equilibrium conditions are derived together with the Gibbs phase rule for plane interfaces. The theory is extended to the mixture with three phases.

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Sommario Si scrivono le equazioni integrali del bilancio per una miscela fluida binaria che una interfaccia separa dalla miscela del suo vapore. Si derivano le condizioni di equilibrio e, nel caso di interfaccia piana, la regola delle fasi di Gibbs. La teoria proposta è poi estesa a sistemi di miscela binaria con tre fasi.

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This paper is made under the auspices of G.N.F.M. of the Italian C.N.R.     

Theoretical studies on heterogeneous deflagration Waves. 2. An approximate ordinary differential equation formulation of the problem

Summary This is the second of a three — part theoretical study on heterogeneous deflagration wave propagation. The theory is of a general nature; but specific reference to a composite solid rocket propellant is made. The ultimate objective of this line of research is to define conditions for statically and dynamically stable deflagration propagation. In the first paper, a quite general model of the problem in terms of a partial differential equation was shown. In this second paper, a transformation of the mathematical problem into an ordinary differential equation is performed. A flame model is used for the gas phase. The important assumptions made are: quasi-steady gas phase, optically opaque condensed phase; collapsed burning surface layer and constant ambient temperature. Under these assumptions, it is found that the dynamics of a deflagrating substance is governed by a nonlinear first order (approximate) ordinary differential equation in the unknown surface temperature history. From this, the stability features of heterogeneous deflagration waves are immediately defined (last part of the study). The theory is verified by computer and experimental work, presently under progress.

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Sommario Questa è la seconda di una serie di tre memorie dedicate all'analisi teorica della propagazione di onde eterogenee di deflagrazione. La teoria è di natura generale, ma per concretezza viene applicata al caso specifico di un propellente solido composito per endoreattori. Lo scopo finale della ricerca è di definire le condizioni necessarie per la stabilità statica e dinamica della propagazione di onde eterogenee di deflagrazione. Nella prima memoria è stato rivisto un modello abbastanza generale del problema basato su di una equazione differenziale alle derivate parziali. In questa seconda memoria il problema matematico è riformulato in termini di una equazione differenziale ordinaria. La fase gassosa è trattata secondo un modello di fiamma. Le ipotesi più importanti riguardano la fase gassosa quasi-stazionaria, la fase condensata otticamente opaca, lo strato reagente superficiale di spessore nullo e la temperatura ambiente costante. Sotto queste ipotesi si trova che la dinamica di una deflagrazione è retta da una equazione (approssimata) differenziale ordinaria nonlineare del primo ordine che descrive la storia della temperatura di superficie. Tale equazione permette di definire immediatamente le proprietà di stabilità di onde eterogenee di deflagrazione (terza memoria). Sono in corso di svolgimento le verifiche numeriche e sperimentali della teoria proposta.

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Support by CNPM (Centro di Studio per Ricerche sulla Propulsione e sull'Energetica) is gratefully aknowledged.     

Inequalities sufficient for material stability in finite elasticity

Summary Some restrictions on the response function of isotropic elastic solids under finite strain are discussed. These restrictions follow when a strong localization of the classical Hadamard condition of infinitesimal stability is adopted as an a priori inequality under certain side conditions which are not fullfilled by all of the possible strained states.

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Sommario Vengono discusse alcune restrizioni sulla funzione di risposta dei solidi elastici isotropi in deformazioni finite. Queste restrizioni sono determinate da una versione locale della classica definizione di stabilità infinitesima di Hadamard, qui considerata come una diseguaglianzaa priori sotto certe condizioni che non sono verificate da tutte le possibili configurazioni deformate.

     

The influence of tip mass on the stability of a rotating cantilever subjected to dissipative and transverse follower forces

Summary The state of stability of a rotating viscoelastic cantilever beam subjected to a transverse follower force applied at its free end in the plane of rotation is determined by a method of approximation that is based upon an adjoint variational principle. Particular attention is devoted to the determination of the dependence of the critical flutter load of the system on the transverse, twisting, and rotary inertia properties of a mass capping the free end of the beam. The equations of motion are derived from a conservation law, the adjoint boundary value problem is introduced, and an approximate stability determinant is developed from the variational principle upon assuming a set of coordinate functions which satisfy a selected set of boundary conditions. The stability determinant is solved numerically for a variety of choices of values for the internal damping, the hub radius, tip mass inertia, the rotational speed, and warping rigidity parameters, and several graphs are presented to show the influence of these parameters upon the value of the critical flutter load.

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Sommario Si constata lo stato di stabilità di una mensola viscoelastica e rotante sollecitata da un carico traversale che ruota con la sezione e che viene applicata all'estremo libero nel piano di rotazione mediante un procedimento approssimativo basato su un principio variazionale per problemi del tipo non autoaggiunti. Attenzione particolare è dedicata alla determinazione della dipendenza del carico critico di flutter del sistema dalle proprietà delle inerzie traversali, torcenti e rotatorie di una massa attaccata all'estremo libero della trave. Si derivano le equazioni di moto mediante un principio di conservazione, e si introduce il problema aggiunto. Assunto un insieme di funzioni di posizione che soddisfano certe condizioni ai limiti, si sviluppa il determinante di stabilità dal principio variazionale. Si risolve numericamente il determinante di stabilità per diverse scelte di valori dei parametri di smorzamento interno, raggio di mozzo, inerzia della massa, velocità di rotazione e rigidezza biflessionale. Parecchi grafici sono inclusi per mostrare l'influenza di questi parametri sul valore del carico critico di flutter.

     

Uniqueness and stability in the continuum theory of granular materials

Summary We deal with cohesionless granular materials in the framework of the continuum theory presented in [2]. For these materials we finda priori restrictions assuring uniqueness and stability of motion. Whereas our Liapunov stability analysis leads only to a partially satisfactory result, Hölder stability is completely characterizedvia a logarithmic convexity argument.

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Sommario Nel presente lavoro vengono stabilite alcune restrizionia priori sufficienti ad assicurare l'unicità e la stabilità del moto di un mezzo granulare il cui comportamento è descritto dall'equazione costituiva proposta in [2]. Una volta osservato che l'analisi della stabilità, nel senso di Liapunov, non conduce a risultati soddisfacenti, si passa ad esaminare la stabilità nel senso di Hölder, mediante le argomentazioni della convessità logaritmica, pervenendo così ad alcune semplici restrizioni sui coefficienti di risposta del materiale considerato.

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Research supported by the Italian National Research Council (C.N.R. Gruppo PAdIS).     

Explosion and implosion in a mixture of chemically reacting ideal gases

Summary A chemically reacting mixture of ideal gases is herein called a Stokes mixture — not of necessity a mixture of Stokes fluids although such are included — if the shear and bulk viscosities never contribute to the internal energy of the mixture when the constituents are undergoing dilatational motions. The mechanical and thermal features of these motions in a general binary mixture of chemically reacting ideal gases are studied.

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Sommario Una miscela chimicamente reagente di gas ideali è qui chiamata una miscela di Stokes — non necessariamente una miscela di fluidi di Stokes, anche se questo caso vi è compreso — se le viscosità di scorrimento e di dilatazione non contribuiscono mai alla energia interna della miscela quando i costituenti sono soggetti a moti dilatazionali. Si studiano le caratteristiche meccaniche e termiche di questi moti in una generale miscela binaria di gas ideali chimicamente reagenti.

     

A numerical study of vorticity layers in a two-dimensional stratified shear flow

A numerical study is conducted to find out the conditions of occurrence of a secondary Kelvin-Helmholtz instability in the thin layers (referred to as baroclinic layers) that form in a stably-stratified shear layer. For this purpose, three high resolution calculations of a moderately stratified shear layer have been carried out, at a fixed Reynolds number. The wavelength of the initial perturbation is progressively increased, starting from the fundamental wavelength predicted by linear stability theory up to twice this fundamental wavelength. The baroclinic layer of the flow is shown to lengthen and destabilize progressively from one calculation to the other, eventually bearing a secondary Kelvin-Helmholtz instability. The structure and dynamics of the baroclinic layers of the three calculations are examined in the frame of a theoretical model proposed by Corcos and Sherman ([1]). An excellent agreement with the predictions of this model have been found. We next show that the stability of the layer is controlled by the large-scale Kelvin-Helmholtz vortex, via the strain field that it induces in the stagnation point region of the layer. A consequence of this study is that secondary Kelvin-Helmholtz instabilities are fostered by the pairing of primary Kelvin-Helmholtz vortices in a strongly-stratified shear layer.

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Sommario E stato condotto uno studio numerico per trovare le condizioni in cui insorge una instabilità secondaria di Kelvin-Helmholtz negli strati sottili che si formano in uno strato di scorrimento stabilmente stratificato. A questo scopo sono state effettuate tre simulazioni ad alta risoluzione a fissato numero di Reynolds e stratificazione bassa. La lunghezza d'onda della perturbazione iniziale è stata progressivamente aumentata dalla lunghezza fondamentale predetta dalla teoria lineare della stabilità fino a due volte questa stessa lunghezza. È stato osservato che da una simulazione all'altra lo strato baroclino del flusso si allunga e si destabilizza progressivamente, generando eventualmente un'instabilità di Kelvin-Helmholtz secondaria. Utilizzando il modello teorico proposto da Corcos e Sherman (1976), per le tre simulazioni sono state analizzate la struttura e la dinamica dello strato baroclino. È stato trovato un accordo eccellente con le predizioni di questo modello. È stato in seguito mostrato che la stabilità dello strato è controllato dai vortici di Kelvin-Helmholtz di larga scala attraverso il campo di deformazione che inducono nella regione del punto di ristagno dello strato. Una conseguenza di questo studio è che le instabilità secondarie di Kelvin-Helmholtz sono forzate dall'accoppiamento dei vortici primari in uno strato di scorrimento fortemente stratificato.

     

Boundary conditions at a liquid-vapor interface

Summary The principles of conservation of mass, momentum, and energy require that certain relationships between the flow fields be satisfied at a liquid-vapor interface. These relationships are derived in a unified way from a generalization of Kotchine's theorem which includes explicitly surface sources for momentum and energy. The case of a multi-component mixture is also considered. Finally, other boundary conditions required to obtain the full solution to a liquid-vapour flow problem are outlined and discussed. Our results are applicable to other fluid-fluid interfaces as well.

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Sommario I principi di conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia richiedono che esistano relazioni ben definite fra i campi di densità, velocità, pressione e temperatura alla superficie di separazione fra un liquido e il suo vapore. In questo studio tali relazioni vengono derivate a partire da una generalizzazione del teorema di Kotchine in cui si tiene conto esplicitamente delle sorgenti superficiali per la quantità di moto e l'energia. Viene anche discusso il caso in cui sia presente più di una specie chimica. Infine, si considerano e si discutono le altre condizioni al contorno necessarie per ottenere la soluzione completa di un problema coinvolgente simultaneamenta la fase liquida e quella di vapore.

     

Sufficient uniqueness and stability conditions for elastic-plastic structures with associated flow laws

Summary The incremental problem for elastic-plastic structures with associated flow laws is stated in terms of an integral equation, whose characteristics and solution are discussed.It is then shown how a simpler problem whose condition of uniqueness of solution constitutes an easily applicable sufficient condition of uniqueness and stability of response for the incremental problem may be deduced.

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Sommario Si formula il problema incrementale per strutture elastoplastiche con leggi di scorrimento associate in termini d'una equazione integrale della quale si discutono le caratteristiche e il criterio di soluzione.Si mostra infine come dal problema incrementale possa essere dedotto un più semplice problema la cui condizione di unicità di soluzione costituisce per il problema incrementale una condizione sufficiente di unicità e stabilità della risposta, di semplice applicabilità.

     

Expected fatigue life of bridges under traffic load

Summary Random vibrations theory is applied to study the response characteristics of elastic damped multi-degrees-of-freedom structures subjected to traffic loads. Four kinds of randomness are included in the non stationary process modeling the crossings: the weight of the vehicles, the excentricity of the passing lane, the initial dynamic conditions and disturbances due to road surface uneveness. Modal analysis and impulse response functions are employied to derive the non stationary probability density function of stresses and displacements of the structure.Assuming Vöhler type curves and cumulative damage hypothesis to describe the fatigue strength of the structure, its expected life is calculated as a function of traffic volume.

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Sommario La risposta di strutture elastiche smorzate a molti gradi di libertà sotto l'azione del traffico è studiata in termini di dinamica aleatoria. Il carico che transita sul ponte è simulato mediante un processo aleatorio a quattro componenti: esse descrivono le aleatorietà insite nel peso dei veicoli, la loro eccentricità di marcia, le condizioni dinamiche di ingresso, le irregolarità del transito. Per mezzo dell'analisi modale ed usando le funzioni di risposta ad impulso si ottengono le caratteristiche aleatorie della risposta, in particolare la funzione densità di probabilità delle sollecitazioni e degli spostamenti, variabile nel tempo.Caratterizzando la resistenza a fatica della struttura mediante curve di Vöhler ed accettando l'ipotesi del danno cumulato di Palmgren-Miner, si determina la vita media attesa della struttura.

     

Some remarks on the stability of shock waves

Summary Some questions arising in linear stability and reflection stability of a plane shock are discussed, both in classical and relativistic fluid dynamics. The stability properties of a van der Waals gas are discussed.

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Sommario Vengono trattate alcune questioni riguardanti la stabilità lineare e per riflessione di un'onda d'urto piana in gas dinamica classica e relativistica. Sono discusse le proprietà di stabilità di un gas di van der Waals.

     

A criterion of classification for non-linear hypo-elastic materials in simple shear

Summary Hypo-elastic materials can be classified according to their static response to deformations of simple shear. Since the principal components of stress must satisfy a non-linear ordinary differential system, the derivatives of the stresses at the origin characterize either the hard or the soft behaviour of the material; moreover the sign of a bilinear form on the strain rates defines the so-called stability of the material.

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Sommario I materiali ipo-elastici possono essere classificati secondo la loro risposta statica a deformazioni di scorrimento puro. Poiché le componenti principali della tensione devono soddisfare un sistema di equazioni differenziali ordinarie non lineari, le derivate delle tensioni all'origine caratterizzano sia il comportamento incrudente sia quello soffice del materiale; inoltre il segno di una forma bilineare sulle velocità di deformazione definisce la cosiddetta stabilità del materiale.

     

Frequency response function of burning solid propellants

Summary Burning stability analyses of solid propellants are performed, within the framework of a thermal theory of monodimensional heterogeneous deflagration waves, from a linearized point of view. The frequency response function is determined both for pressure and radiation driven combustion waves. Two limiting schemes for the quasi-steady gas phase are implemented: distributed and sharp flame models. Work available from the literature in this field is reviewed, corrected, and extended. Particular attention is given to the connection between pressure and radiation driven admittance functions. Burning stability properties predicted from linear and nonlinear theories are compared. A way to rate experimentally the dynamic burning stability of condensed substances with optically opaque condensed phase and transparent flame is suggested.

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Sommario Vengono svolte analisi lineari della stabilità di combustione di propellenti solidi per endoreattori, nell'ambito di una teoria termica di onde eterogenee di deflagrazione monodimensionale. Si determina la funzione di risposta in frequenza, o ammettenza acustica, per onde di combustione pilotate sia dalla pressione sia da un fascio di luce monocromatica. Sono discussi due casi limite di modelli di fiamma per la fase gassosa supposta quasi-stazionaria: fiamma distribuita e fiamma concentrata. I lavori svolti in precedenza nel settore in esame sono rivisti, corretti ed estesi. Particolare attenzione viene dedicata alla corrispondenza tra la funzione di ammettenza pilotata dalla pressione e la funzione di ammettenza pilotata da radiazione. Sono confrontate le proprietà di stabilità della combustione predette dalle teorie lineari e dalle teorie non lineari. Viene suggerito un possibile criterio per classificare sperimentalmente la stabilità dinamica di combustione di sostanze condensate con fase condensata otticamente opaca e fiamma trasparente.

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Paper presented at the V Congresso Nazionale dell'Associazione Italiana Di Aeronautica ed Astronautica (AIDAA), Milano, 22 – 26 October 1979. Project supported by Centro di Studio per Ricerche sulla Propulsione e sulla Energetica. Milano, 24 September 1979.     

On the foundation of the stability theory of elastic structures

Summary Some difficulties and unsolved problems of the stability theory of continuous systems will be investigated. After having closely examined the meaning and importance of the choices of the distance between two configuration of a continuous system, the problem of the equilibrium stability of elastic structures will be formulated in a proper functional space, where it is possible to demonstrate the validity of the energy criterion as sufficient condition of stability in Lyapunov's sense.Lastly, are pointed out the still open problems on the stability criterion based on the second variation of the potential energy of which a partial proof is given.

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Sommario Vengono esaminate alcune difficoltà e problemi ancora aperti nella teoria della stabilità dei sistemi continui. Dopo aver approfondito il significato e l'importanza della scelta della distanza tra due configurazioni di un sistema continuo, il problema della stabilità dell'equilibrio delle strutture elastiche viene formulato in un opportuno spazio funzionale, nel quale è possibile dimostrare la validità del criterio dell'energia come condizione sufficiente di stabilità nel senso di Lyapunov.Si puntualizzano infine le questioni ancora aperte sul criterio di stabilità basato sulla variazione seconda e del quale si fornisce una parziale giustificazione.

     

Stability of axisymmetric motions in a rotating inviscid atmosphere

Summary We study the set of ordinary differential equations representing the truncation of the spectral vorticity equation in spherical geometry for two-dimensional, non divergent motions in a homogeneous, inviscid rotating atmosphere. The set of included spectral components represent an arbitrary axisymmetric field of motion (zonal flow) interacting with a couple of non zonal, wave-like perturbations. We analize the stability of the equilibrium configuration described by purely zonal flow, by an esplicit representation of the linear and non-linear parameters which characterize the unstable oscillations induced by perturbations of the equilibrium.

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Sommario Si studiano le soluzioni di un sistema di equazioni differenziali ordinarie che rappresentano il troncamento a poche componenti di Fourier dell'equazione di conservazione della vorticità per moti bidimensionali, non divergenti in una atmosfera rotante, inviscida e omogenea. Tale troncamento include tutte le componenti spettrali che rappresentano flussi a simmetria assiale (moti zonali) in interazione non lineare con una coppia di componenti asimmetriche che rappresentano flussi ondulatori. Si studia la stabilità della configurazione di equilibrio caratterizzata da moto zonale stazionario, analizzando i parametri lineari e non lineari che descrivono le oscillazioni instabili di ampiezza finita del campo di flusso che nascono da condizioni iniziali nell'intorno dell'equilibrio.

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This work was supported by the C.N.R. through the Gruppo Nazionale per la Fisica Matematica.     

The effect of damping on the dynamic stability of nonconservative systems

Summary A study of the effect of vanishing viscous damping on the stability of nonconservative linear elastic systems, with special reference to systems that lose stability statically through the emergence of new equilibrium configurations close to the principal one, i. e. by divergence. It is shown that in this case slight damping presents a wide range of effects on the stability of the system.

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Sommario Si studia l'effetto della presenza di smorzamenti viscosi tendenti a zero sulla stabilità di sistemi elastici lineari soggetti a forze posizionali non conservative, con particolare riguardo a quei sistemi che perdono stabilità staticamente, per la comparsa di nuove configurazioni di equilibrio prossime a quella principale, od anche, come si usa dire, per « divergenza ». Si mostra come in tal caso deboli smorzamenti viscosi presentino un'ampia casistica di effetti sulla stabilità del sistema.

     

Nonlinear analysis of elastic round rods

Summary The nonlinear theory of elastic round rods is split into a vector equation concerning the properties of finite inextensional flexural deflections and a scalar equation concerning torsional deformations. In particular, the related boundary conditions are examined for the case of a Cardan joint. The buckling configurations of a rod under tension and torsion, constrained at both ends by Cardan joints, are determined by the linearized form of the above theory and compared with previous findings about the rod with cylindrical end hinges.

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Sommario La teoria non lineare della verga elastica rotonda è compendiata in un'equazione vettoriale che esprime le proprietà della deformata flessionale inestensionale: le associate condizioni al contorno includono le proprietà torsionali della verga. In particolare si considerano le condizioni ai limiti per deformazioni finite nel caso di vincolo con giunto cardanico. Per la verga con giunti cardanici ai due estremi, soggetta a trazione e torsione si determinano le configurazioni critiche.

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Post-graduate Student, Department of Structural Engineering, Politecnico di Torino.

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Professor emeritus, Department of Structural Engineering, Politecnico di Torino.     

A priori bounds for the plastic dissipation of elastic-plastic oscillators

Summary The possibility of enlarging the definition of collapse of elastic-plastic structures to include dynamic problems is first examined. It is concluded that the most satisfactory definition is the one given in terms of plastic dissipation. The simple case of a single-degree of freedom oscillator is then studied in detail. After giving some upper bounds for the dissipation with the aid of suitable a priori inequalities, a typical property of stability of the solution is employed to obtain a fairly severe bracketing of velocities throughout the motion. A numerical example, taken from a problem of seismic design, shows that the latter result leads to further improvements in majorizing the plastic dissipation.

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Sommario Si studia aapprima l'estensione della definizione di collasso di una struttura elastoplastica ai problemi di tipo dinamico, concludendo che la miglior caratterizzazione é quella in termini di dissipazione plastica. Si passa poi a considerare il caso di un oscillatore a un grado di libertà, per cui si calcolano limitazioni superiori della dissipazione ricorrendo a opportune diseguaglianze a priori. Utilizzando inoltre una proprietà di stabilità della soluzione, tipica dei problemi di Plasticità, si riescono a dare strette limitazioni per la velocità. Come mostrato da un esempio numerico tratto da un problema sismico, esse conducono anche ad una più accurata delimitazione della dissipazione plastica.

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This research was supported in part by the C.N.R., Gruppo Nazionale per la Fisica Matematica e per le Applicazioni della Matematica alla Fisica e all'Ingegneria.