Recent Advances in Machine Design

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Fatigue Analysis of Glass Fiber-Reinforced Polymer

   Shrivishnu A. Inamdar, Rahul R. Shenoy, Abhishek Kallolikar, Skanda N. Magal, N. Rajesh Mathivanan

   Dieses Kapitel befasst sich mit der Ermüdungsanalyse von glasfaserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen (GFK), einer kritischen Studie für Branchen, die auf langlebige Materialien setzen. Die Forschung konzentriert sich auf das Ermüdungsverhalten von GFK-Laminaten im Spannungsbereich und untersucht, wie unterschiedliche Stressniveaus und Verschiebungen ihre Ermüdungslebensdauer beeinflussen. Durch rigorose experimentelle Analysen deckt die Studie die komplizierte Beziehung zwischen angewandter Belastung, Verschiebung und der Anzahl der Zyklen bis zum Scheitern auf. Insbesondere zeigt sich, dass eine Verringerung des Stressniveaus und die Kontrolle der Verschiebung die Lebensdauer von GFK-Verbundwerkstoffen erheblich verlängern können. Das Kapitel präsentiert umfassende Daten zu Belastung versus Zyklenanzahl, Verschiebung versus Zyklenanzahl und Spannungsstandskurven (S-N), die ein gründliches Verständnis der Versagensmechanismen unter zyklischen Belastungen bieten. Die Studie beleuchtet die Auswirkungen von Spannungskonzentrationen und vibrationsbedingten Belastungen und liefert praktische Erkenntnisse zur Optimierung der Konstruktion und Anwendung von GFK-Verbundwerkstoffen in verschiedenen Branchen.

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3. Retrofitting a Motorcycle to Function as an Electric Vehicle

   N. Santhosh Kumar, Ayush Sachindrasingh Tavar, P. Vignesh, S. V. Satish

   Dieses Kapitel untersucht die Umwandlung eines konventionellen Motorrads in ein Elektrofahrzeug und konzentriert sich dabei auf die ökologischen und finanziellen Vorteile einer solchen Umrüstung. Das Projekt umfasst die Umrüstung eines Pulsar LS 135 ccm Motorrads mit einem leistungsstarken Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) und einem Lithium-Ionen-Akkupack, was zu einem Fahrzeug mit verbesserter Leistung und reduzierten Emissionen führt. Das Kapitel beschreibt die verwendeten Komponenten, den Konstruktions- und Fertigungsprozess sowie die Funktionsprüfung des nachgerüsteten Motorrads. Sie enthält auch eine Kostenanalyse, die die wirtschaftliche Machbarkeit des Projekts im Vergleich zur Anschaffung eines neuen Elektrofahrzeugs aufzeigt. Das Kapitel schließt mit der Hervorhebung des Potenzials der Nachrüstung als nachhaltige und erschwingliche Lösung für den städtischen Verkehr.

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4. Design and Analysis of Multitasking Column Climbing Robot

   Vijayakumara Shanura Pattara, V. Abhi, R. Ravi, P. V. Ranganatha, Mantesh Basappa Khot

   Das Kapitel befasst sich mit dem Design und der Analyse eines Multitasking-Säulenroboters, der für verschiedene technische Sektoren unverzichtbar ist. Zunächst wird die grundlegende Rolle von Robotern in der modernen Technik und die Bedeutung von Multitasking-Fähigkeiten diskutiert. Der Entwurfsprozess wird sorgfältig skizziert, einschließlich der Entwicklung eines Konzeptmodells in SOLID WORKS 2022 und der Analyse mittels ANSYS 19.2. Schlüsselkomponenten wie Klemmmechanismus, Bremssättel, Gewindeschraube und Hauptrahmen werden hervorgehoben, wobei der Schwerpunkt auf ihrer Funktionalität und Integration liegt. Die Fähigkeit des Roboters, unregelmäßige Oberflächen zu erklimmen und rauen Umgebungsbedingungen standzuhalten, wird hervorgehoben, was ihn für Wartungsarbeiten in gefährlichen Umgebungen wie Kernkraftwerken von unschätzbarem Wert macht. Das Kapitel untersucht auch die Auswahl von Materialien und Geräten, um Haltbarkeit unter unterschiedlichen Bedingungen zu gewährleisten. Die detaillierten Konstruktionsberechnungen und Überlegungen zur Leistung des Roboters unter unterschiedlichen Belastungsbedingungen machen dieses Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Fachleute, die die Feinheiten von Multitasking-Robotern verstehen wollen.

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5. Design and Structural Analysis of Quadcopter for Medicine Package Delivery

   Suchit, N. G. Vivek, B. S. Nithyananda, G. V. Naveen Prakash

   Das Kapitel befasst sich mit der Konstruktion und Strukturanalyse eines Quadkopters für die Lieferung von Arzneimittelpaketen und betont die Bedeutung von unbemannten Flugzeugen in der modernen Logistik. Es werden die Herausforderungen und Vorteile des Quadcopter-Designs diskutiert, darunter Tragflächendesign, Stabilität, Gewichtsreduzierung und strukturelle Integrität. Der Einsatz von Autodesk Inventor zur CAD-Modellierung und ANSYS Workbench zur Finite-Elemente-Analyse wird hervorgehoben. Das Kapitel untersucht auch die Kräfte, die auf einen Quadcopter einwirken, seine Komponenten und die Ergebnisse statischer Strukturanalysen und schließt mit der Machbarkeit des Einsatzes von Quadcoptern für medizinische Anwendungen ab.

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6. Modeling, Simulation and Analysis of Wind-Turbine Gear Train

   D. Suhas, Adharsh Kandaswamy, N. Nishanth Gowda, M. Vishal, N. Rekha

   Das Kapitel befasst sich mit der kritischen Rolle des Getriebes in Windkraftanlagen und konzentriert sich dabei auf ein 3-stufiges Planetengetriebe. Es beschreibt die mathematischen und analytischen Simulationen, die durchgeführt wurden, um die Getriebedynamik zu modellieren, wobei der Lagrange-Ansatz zur Ableitung von Bewegungsgleichungen verwendet wurde. Die Studie verwendet auch ANSYS-Software für die Modalanalyse und enthüllt Eigenfrequenzen und Modus-Formen, die die Haltbarkeit des Getriebes bestätigen. Der Vergleich der Ergebnisse von MATLAB und ANSYS unterstreicht die Zuverlässigkeit des analytischen Modells und macht dieses Kapitel zu einer wertvollen Ressource für das Verständnis der Feinheiten der Getriebedynamik von Windkraftanlagen.

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7. Design and Analysis of an Agricultural Drone

   S. M. Deepak, R. Bharath, C. Bharath, Sumanth R. Hegde, N. Rekha

   Das Kapitel "Design and Analysis of an Agricultural Drone" befasst sich mit der komplizierten Konstruktion und Leistungsoptimierung von unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), die auf landwirtschaftliche Anwendungen zugeschnitten sind. Zunächst werden Drohnen als dynamische, ferngesteuerte Navigationssysteme definiert, die für die schnelle Datenerfassung in der Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung sind. Der Text klassifiziert Drohnen nach Gewicht und Flugreichweite und diskutiert die Vorteile von Kohlefaser als Material für den Drohnenbau. Der Konstruktionsprozess ist minutiös detailliert, von der ersten CAD-Modellierung mit SOLIDWORKS bis hin zur Struktur- und Modalanalyse mit ANSYS. In diesem Kapitel wird auch die Berechnung der Strömungsdynamik (CFD) des Propellers untersucht, die für das Verständnis der aerodynamischen Leistung unverzichtbar ist. Die Validierung der Ergebnisse sowohl durch analytische Methoden als auch durch Simulationen gewährleistet die Stabilität und Effizienz der Drohne unter verschiedenen Bedingungen. Dieser umfassende Ansatz macht das Kapitel zu einem Pflichtlektüre für alle, die sich für die Spitzentechnologie landwirtschaftlicher Drohnen interessieren.

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8. Nonlinear Vibration of an Euler–Bernoulli Beam Using Variational Iteration Procedure

   Suresh N. Shankaranarayana, C. V. Chandrashekara

   Das Kapitel vertieft sich in die komplexe Dynamik von Euler-Bernoulli-Strahlen und konzentriert sich auf nichtlineare Schwingungen, die durch geometrische Nichtlinearität hervorgerufen werden. Es vergleicht das Variationsiterationsverfahren (VIP) mit der klassischen Störungstechnik erster Ordnung (FOP) und hebt die überlegene Genauigkeit von VIP bei der Vorhersage nichtlinearer Frequenzen und Reaktionen für verschiedene Randbedingungen hervor. Die Studie verwendet numerische Beispiele, um die Effektivität von VIP zu demonstrieren und zeigt, dass es FOP bei der Erfassung des komplexen Verhaltens nichtlinearer Strahlen übertrifft. Die Forschung ist besonders wertvoll für Ingenieure und Wissenschaftler, die fortgeschrittene Methoden zur Analyse und zum Verständnis nichtlinearer Strukturdynamik suchen.

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9. Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) Metamaterial Exhibiting Simultaneously Superior Acoustic and Mechanical Energy Absorption Performance

   Raja Dewangan, Navin Kumar

   Das Kapitel befasst sich mit den einzigartigen Eigenschaften von Metamaterialien mit dreilagiger Periodenminimalloberfläche (RDKS), die eine überlegene akustische und mechanische Energieabsorptionsleistung aufweisen. Es werden die strukturellen Eigenschaften des RDKS diskutiert, einschließlich des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen und geometrischer Symmetrie, und wie diese Merkmale das RDKS zu einem idealen Kandidaten für die Entwicklung von Hochleistungsmetamaterialien machen. Das Kapitel untersucht auch die Herstellungsprozesse, insbesondere den Einsatz additiver Fertigungstechniken, die die Erstellung komplexer Gitterstrukturen ermöglichen. Experimentelle Ergebnisse werden präsentiert, die die außergewöhnliche mechanische Reaktion des Metamaterials unter verschiedenen Belastungsbedingungen und Dehnungsraten zeigen. Darüber hinaus untersucht das Kapitel die akustischen Eigenschaften von RDKS-Strukturen und demonstriert ihre Wirksamkeit bei Schallübertragungsverlusten. Die Ergebnisse heben die potenziellen Anwendungen von RDKS-Metamaterialien in Branchen hervor, die eine überlegene Energieabsorption und Schallreduzierung erfordern, was dieses Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die innovative Lösungen in der Materialwissenschaft und im Maschinenbau suchen.

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10. Finite Element Fatigue Analysis of Sandwich Structure with Hybrid Composites as Facings

    N. Shashank, Suraj S. Kumar, Ramesh S. Sharma

    Das Kapitel vertieft sich in die Finite-Elemente-Ermüdungsanalyse von Sandwichstrukturen mit hybriden Verbundbeschichtungen und betont die Vorteile dieser Materialien in verschiedenen Branchen. Es werden die Eigenschaften von Hybridverbundwerkstoffen, ihre Anwendungen und die Besonderheiten der durchgeführten Finite-Elemente-Analyse diskutiert. Die Studie umfasst neun verschiedene Konfigurationen von Sandwichverbundwerkstoffen, wobei Polyurethanschaum als Kernmaterial und verschiedene Arten von Hautmaterialien verwendet werden. Die Analyse wurde mit dem ANSYS 22 ACP-Verbundmodul durchgeführt, wobei die Modelle zyklischen Belastungen ausgesetzt und Gesamtdeformationen und inverse Reservefaktoren erfasst wurden. Das Kapitel hebt die Verwendung eines quadratischen Versagenkriteriums und des Festigkeitsverhältnisses zur Bestimmung der Sicherheit der Lamine hervor und macht sie zu einer wertvollen Ressource für Fachleute, die sich für das Ermüdungsverhalten von Verbundwerkstoffen interessieren.

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11. Effects of Cut-Out on the Buckling Characteristics of Ring-Stiffened Cylindrical Shells

    Sanket Chauhan, Jangid Suresh, Raja Manyam, Shashank Vadlamani

    Das Kapitel vertieft die Knickeigenschaften ringversteifter zylindrischer Schalen und konzentriert sich auf die Auswirkungen von Ausschnitten unter axialen Druck-, Biege- und Druckbelastungsbedingungen. Es wird die optimale Ausschnittsform für eine verbesserte Knickfestigkeit und die vorteilhaften Auswirkungen von Ringversteifungen diskutiert. Die Studie nutzt die Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Validierung theoretischer Modelle und bietet Einblicke in nichtlineares und nachbeugendes Verhalten, was sie zu einer wertvollen Ressource für das Verständnis der Stabilität komplexer Schalenstrukturen macht.

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12. A Comparative Study of Cantilever Profiles for MEMS Applications

    Shubham Kumar Mishra, Shivanku Chauhan, Mohd. Zahid Ansari, Afzal Husain

    Das Kapitel vertieft sich in die vergleichende Untersuchung von Auslegerprofilen für MEMS-Anwendungen, wobei der Schwerpunkt auf der Resonanzfrequenz und Spannungsverteilung liegt. Es analysiert die Empfindlichkeit von Auslegern gegenüber Veränderungen in Breite und Länge und präsentiert Modifikationen zur Verbesserung der Steifigkeit und Massenverteilung. Die Studie verwendet numerische Simulationen unter Verwendung von COMSOL Multiphysics, um die Leistung von konischen, variablen Höhen- und variablen Breitenprofilen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Profil mit variabler Breite eine überlegene Resonanzfrequenz und ein niedrigeres Spannungsniveau aufweist, was es zur optimalen Wahl für dynamische und statische Modi macht. Das Kapitel bestätigt seine Ergebnisse auch mit den Analyseergebnissen von Hoffmann et al., die eine starke Korrelation und minimale Abweichungen aufweisen. Diese Forschung trägt zum Verständnis der Auslegerleistung von MEMS-Geräten bei und liefert wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Konstruktion und Optimierung.

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13. Effects of Surface Textures on the Tribological Performance of Lubricated Concentrated Point Contacts

    Deepak Mehra, R. K. Pandey, A. K. Darpe

    Das Kapitel untersucht den Einfluss von Oberflächenstrukturen auf die tribologische Leistung geschmierter konzentrierter Punktanschlüsse. Es wird diskutiert, wie spezifische Mikrogeometrien wie Grübchen, Bodenwellen, Rillen und Grate die Schmierstoffverteilung und Filmdicke verbessern und damit Reibung und Verschleiß verringern können. Die Studie verwendet numerische Methoden, um die Leistung unterschiedlicher Texturen, einschließlich mikrozylindrischer, mikroelliptischer und mikrorechteckiger Prismen, unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu analysieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass elliptische Prismenstrukturen mit der Hauptachse senkrecht zur Rollrichtung die signifikantesten Verbesserungen bei der Schichtdicke und dem Reibungsreduzierungskoeffizienten aufweisen. Dieses Kapitel bietet wertvolle Einblicke in die Konzeption und Optimierung von Oberflächenstrukturen für eine verbesserte tribologische Leistung in Anwendungen wie Wälzlagern, Kolbenringen und Zahnrädern.

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14. Scaling and Slenderness Effects on Cell Dynamics: A Comparative Study Between Analytical and Numerical Approaches

    S. Ashish, R. Chirag, A. G. Abhay Rao, C. V. Chandrashekara

    Das Kapitel befasst sich mit der entscheidenden Rolle der dynamischen Charakteristik in biomechanischen Systemen, wobei der Schwerpunkt auf Zellen und biomedizinischen Geräten liegt. Es untersucht die Auswirkungen von Skalierung und Schlankheit auf die Zelldynamik und vergleicht analytische und numerische Ansätze. Die Studie verwendet Systeme mit gebündelter Masse, Finite-Elemente-Modelle und numerische Simulationen, um grundlegende Eigenfrequenzen zu bestimmen. Ein neuartiger Multiplikationsfaktor wird eingeführt, um Unterschiede in den Ergebnissen zu berücksichtigen, wobei die Variation dieses Faktors mit Schlankheitsverhältnissen umfassend analysiert wird. Das Kapitel stellt auch detaillierte Modus-Formen für quaderförmige und zylindrische Zellmodelle vor und unterstreicht die Bedeutung der Einbeziehung von Multiplikationsfaktoren für präzise Vergleiche in sperrige Zellmodelle. Die Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die dynamischen Eigenschaften biomechanischer Zellmodelle und machen sie für Spezialisten auf diesem Gebiet zu einem Pflichtlektüre.

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15. Dynamic Analysis of a Single Disc Flexible Rotor-Bearing System with Isotropic Stiffness by Varying Geometric Parameters

    K. Rakshith, C. V. Chandrashekara

    Das Kapitel befasst sich mit der dynamischen Analyse eines flexiblen Einscheiben-Rotorlagersystems mit isotroper Steifigkeit und betont die Bedeutung der Minimierung von Vibrationen in rotierenden Maschinen für einen stabilen Betrieb. Es verwendet Finite-Elemente-Methoden, um die dynamischen Eigenschaften des Systems zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf den Auswirkungen unterschiedlicher geometrischer Parameter wie Wellenlänge, Wellendurchmesser, Scheibendurchmesser und Scheibendicke auf die Eigenfrequenzen liegt. Die Analyse umfasst die Ableitung von Steifigkeits- und Massenmatrizen mittels Timoschenko-Strahltheorie und die Berechnung von Eigenfrequenzen und Modus-Formen. Das Kapitel behandelt auch die kritischen Drehzahlen des Systems und stellt detaillierte Diagramme zur Veranschaulichung der Beziehungen zwischen Eigenfrequenzen und Rotationsgeschwindigkeiten zur Verfügung, wobei die Auswirkungen geometrischer Variationen auf die Systemleistung hervorgehoben werden.

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16. Use of Empirical Wavelet Transform for Detection of Compound Fault Based on Vibration Signals

    Vikas Sharma, Pradeep Kundu

    Das Kapitel befasst sich mit der Erkennung zusammengesetzter Fehler in Getrieben mittels Empirischer Wavelet Transform (EWT), wobei der Schwerpunkt auf Vibrationssignalen liegt. Es werden die Herausforderungen diskutiert, die durch überlappende Modulation und Rauschen entstehen, und wie EWT mit angemessener Frequenzbandsegmentierung und Rauschfilterung kämpft. Die Studie umfasst sowohl Simulations- als auch experimentelle Untersuchungen und zeigt, dass EWT zwar vielversprechend für einzelne Fehler ist, aber nicht in der Lage ist, zusammengesetzte Fehler effektiv zu erkennen. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Notwendigkeit der Weiterentwicklung und Optimierung von EWT zur Erkennung zusammengesetzter Fehler.

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17. Nonlinear Response Characteristic Analysis of a Quadrotor with Suspended Payload

    Pranav Matsa, Chaithanya Krishna Rao, A. G. Abhay Rao, P. S. Aniruddha, C. V. Chandrashekara

    Das Kapitel vertieft sich in die Feinheiten eines Quadrotorsystems mit schwebender Nutzlast, wobei der Schwerpunkt auf den nichtlinearen Reaktionseigenschaften unter verschiedenen dreidimensionalen Flugbahnen liegt. Es beginnt mit der Einführung in die Bedeutung unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) in vielfältigen Anwendungen und den Vorteilen von Quadrotoren bei der Nutzlastbereitstellung. Das mathematische Modell des Systems wurde unter Berücksichtigung des Ausschwungs der Nutzlast und externer Anregungskräfte wie Windwiderstand erstellt. Die Bewegungsgleichungen werden mit der Lagrange'schen Formulierung abgeleitet und mit Simulink mit dem ODE-45-Löser gelöst. Das Kapitel hebt die Verwendung von kubischen und kardinalen Keilen für die Bahninterpolation zwischen Wegpunkten hervor, um Kontinuität und Glätte zu gewährleisten. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen zeigen die Reaktion der ausgesetzten Nutzlast auf unterschiedliche Flugbahnen und liefern wertvolle Einsichten in das Verhalten des Systems. Diese detaillierte Analyse schafft die Voraussetzungen für die weitere Optimierung und experimentelle Validierung von Quadrotorsystemen mit ausgesetzten Nutzlasten.

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18. Optimization of System Parameter of Functionally Graded Sandwich Beams for Improved Damping Characteristics

    A. G. Abhay Rao, Chaithanya Krishna Rao, P. S. Aniruddha, C. V. Chandrashekara

    Dieses Kapitel befasst sich mit der Optimierung von Systemparametern für funktionell abgestufte Sandwichträger zur Verbesserung ihrer Dämpfungseigenschaften. Es beginnt mit einer Einführung in die Bedeutung von Verbundwerkstoffen in technischen Anwendungen und dem Übergang zu funktionell abgestuften Werkstoffen (FGMs). Ein verallgemeinertes mathematisches Modell wird für ein Element eines funktionell abgestuften Sandwichträgers erstellt, wobei verschiedene Freiheitsgrade und Materialeigenschaften berücksichtigt werden. Der Optimierungsprozess umfasst eine parametrische Analyse zur Identifizierung sensibler Parameter und die Verwendung eines genetischen Algorithmus zur Optimierung des Leistungsgesetzindex für die Materialgradation. Die Ergebnisse zeigen die Effektivität des Optimierungsmodells bei der Erreichung der gewünschten Spitzenwertreduktionen und unterstreichen die Robustheit des entwickelten Ansatzes. Das Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und dem Potenzial des Optimierungsmodells als Benchmark für zukünftige Studien.

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