The time-domain solution from the Kirchhoff integral equation for an exterior problem is not unique at certain eigen-frequencies associated with the fictitious internal modes as happening in frequency-domain analysis. One of the solution methods is the CHIEF (Combined Helmholtz Integral Equation Formulation) approach, which is based on employing additional zero-pressure constraints at some interior points inside the body. Although this method has been widely used in frequency-domain boundary element method due to its simplicity, it was not used in time-domain analysis. In this work, the CHIEF approach is formulated appropriately for time-domain acoustic boundary element method by constraining the unknown surface pressure distribution at the current time, which was obtained by setting the pressure at the interior point to be zero considering the shortest retarded time between boundary nodes and interior point. Sound radiation of a pulsating sphere was used as a test example. By applying the CHIEF method, the low-order fictitious modes could be damped down satisfactorily, thus solving the non-uniqueness problem. However, it was observed that the instability due to high-order fictitious modes, which were beyond the effective frequency, was increased.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.4
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pp.223-231
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2019
A continuum-based design sensitivity analysis(DSA) method is developed for electrostatic problems. To consider high order objective functions, we use 9-node finite element basis functions for analysis and DSA methods. As the design variables are parameterized with B-spline functions, smooth boundary variations are naturally obtained. To solve mesh entanglement problems during the optimization process, a mesh regularization scheme is employed. By minimizing the Dirichlet energy functional, mesh uniformity can be automatically achieved. In numerical examples for maximizing dielectrophoresis forces, the numerical results are compared with well-known electrode geometries and the obtained characteristics are discussed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.2
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pp.63-70
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2014
Design sensitivity analysis and topology design optimization for a piezoelectric crystal resonator are developed. The piezoelectric crystal resonator is deformed mechanically when subjected to electric charge on the electrodes, or vice versa. The Mindlin plate theory with higher-order interpolations along thickness direction is employed for analyzing the thickness-shear vibrations of the crystal resonator. Thin electrode plates are masked on the top and bottom layers of the crystal plate in order to enforce to vibrate it or detect electric signals. Although the electrode is very thin, its weight and shape could change the performance of the resonators. Thus, the design variables are the bulk material densities corresponding to the mass of masking electrode plates. An optimization problem is formulated to find the optimal topology of electrodes, maximizing the thickness-shear contribution of strain energy at the desired motion and restricting the allowable volume and area of masking plates. The necessary design gradients for the thickness-shear frequency(eigenvalue) and the corresponding mode shape(eigenvector) are computed very efficiently and accurately using the analytical design sensitivity analysis method using the eigenvector expansion concept. Through some demonstrative numerical examples, the design sensitivity analysis method is verified to be very efficient and accurate by comparing with the finite difference method. It is also observed that the optimal electrode design yields an improved mode shape and thickness-shear energy.
Yun, Hee Taek;Kim, Nam Il;Kim, Moon Young;Gil, Heung Bae
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.14
no.4
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pp.509-518
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2002
In order to perform the spatial buckling and static analysis of the nonsymmetric thin-walled beam-column element, improved exact static stiffness matrices were evaluated using equilibrium equation and force-deformation relationships. This numerical technique was obtained using a generalized linear eigenvalue problem, by introducing 14 displacement parameters and system of linear algebraic equations with complex matrices. Unlike the evaluation of dynamic stiffness matrices, some zero eigenvalues were included. Thus, displacement parameters related to these zero eigenvalues were assumed as polynomials, with their exact distributions determined using the identity condition. The exact displacement functions corresponding to three loadingcases for initial stress-resultants were then derived, by consistently combining zero and nonzero eigenvalues and corresponding eigenvectors. Finally, exact static stiffness matrices were determined by applying member force-displacement relationships to these displacement functions. The buckling loads and displacement of thin-walled beam were evaluated and compared with analytic solutions and results using ABAQUS' shell element or straight beam element.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.2
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pp.149-156
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2011
In this paper, a methodology is proposed to improve the stress prediction of plates via Saint Venant's principle. According to Saint Venant's principle, the stress resultants can be used to describe linear elastic problems. Many engineering problems have been analyzed by Euler-Bernoulli beam(E-B) and/or Kirchhoff-Love(K-L) plate models. These models are asymptotically correct, and therefore, their accuracy is mathematically guaranteed for thin plates or slender beams. By post-processing their solutions, one can improve the stresses and displacements via Saint Venant's principle. The improved in-plane and out-of-plane displacements are obtained by adding the perturbed deflection and integrating the transverse shear strains. The perturbed deflection is calculated by applying the equivalence of stress resultants before and after post-processing(or Saint Venant's principle). Accuracy and efficiency of the proposed methodology is verified by comparing the solutions obtained with the elasticity solutions for orthotropic beams.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.1A
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pp.11-18
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2012
This paper deals with the numerical determination of the stress intensity factors of cracked aluminum plates under the mixed mode of $K_I$ and $K_{II}$ in glass-epoxy fiber reinforced composites. For the stress intensity factors, two different models are reviewed such as VCCT and two-step extension method. The p-convergent partial layerwise model is adopted to determine the fracture parameters in terms of energy release rates and stress intensity factors. The p-convergent approach is based on the concept of subparametric element. In assumed displacement field, strain-displacement relations and 3-D constitutive equations of a layer are obtained by combination of 2-D and 1-D higher-order shape functions. In the elements, Lobatto shape functions and Gauss-Lobatto technique are employed to interpolate displacement fields and to implement numerical quadrature. Using the models and techniques considered, effects of composite laminate configuration according to inclined angles and adhesive properties on the performance of bonded composite patch are investigated. In addition to these, the out-of-plane bending effect has been investigated across the thickness of patch repaired laminate plates due to the change of neutral axis. The present model provides accuracy and simplicity in terms of stress intensity factors, stress distribution, number of degrees of freedom, and energy release rates as compared with previous works in literatures.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.1B
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pp.95-109
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2008
We numerically analyzed the nonlinear shoaling, a plunging breaker and its accompanying energetic suspension of sediment at a bed, and a redistribution of suspended sediments by a down rush of preceding waves and the following plunger using SPH with a Gaussian kernel function, Lagrangian Dynamic Smagorinsky model (LDS), Van Rijn's pick up function. In that process, we came to the conclusion that the conventional model for the tractive force at a bottom like a quadratic law can not accurately describe the rapidly accelerating flow over a swash zone, and propose new methodology to accurately estimate the bottom tractive force. Using newly proposed wave model in this study, we can successfully duplicate severely deformed water surface profile, free falling water particles, a queuing splash after the landing of water particles on the free surface and a wave finger due to the structured vortex on a rear side of wave crest (Narayanaswamy and Dalrymple, 2002), a circulation of suspended sediments over a swash zone, net transfer of sediments clouds suspended over a swash zone toward the offshore, which so far have been regarded very difficult features to mimic in the computational fluid mechanics.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.1
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pp.1-7
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2011
In this paper, based on an isogeometric approach, we have developed a shape design optimization method for plane elasticity problems subjected to design-dependent loads. The conventional shape optimization using the finite element method has some difficulties in the parameterization of geometry. In an isogeometric analysis, however, the geometric properties are already embedded in the B-spline basis functions and control points so that it has potential capability to overcome the aforementioned difficulties. The solution space for the response analysis can be represented in terms of the same NURBS basis functions to represent the geometry, which yields a precise analysis model that exactly represents the normal and curvature depending on the applied loads. A continuum-based isogeometric adjoint sensitivity is extensively derived for the plane elasticity problems under the design-dependent loads. Through some numerical examples, the developed isogeometric sensitivity analysis method is verified to show excellent agreement with finite difference sensitivity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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