This paper is concerned with static and dynamic shape control of a laminated Bernoulli-Euler beam hosting a uniformly distributed array of resistively interconnected piezoelectric patches. We present an analytical one-dimensional model for a laminated piezoelectric beam with material discontinuities within the framework of Bernoulli-Euler and extent the model by a network of resistors which are connected to several piezoelectric patch actuators. The voltage of only one piezoelectric patch is prescribed: we answer the question how to design the interconnected resistive electric network in order to annihilate lateral vibrations of a cantilever. As a practical example, a cantilever with eight patch actuators under the influence of a tip-force is studied. It is found that the deflection at eight arbitrary points along the beam axis may be controlled independently, if the local action of the piezoelectric patches is equal in magnitude, but opposite in sign, to the external load. This is achieved by the proper design of the resistive network and a suitable choice of the input voltage signal. The validity of our method is exact in the static case for a Bernoulli-Euler beam, but it also gives satisfactory results at higher frequencies and for transient excitations. As long as a certain non-dimensional parameter, involving the number of the piezoelectric patches, the sum of the resistances in the electric network and the excitation frequency, is small, the proposed shape control method is approximately fulfilled for dynamic load excitations. We evaluate the feasibility of the proposed shape control method with a more refined model, by comparing the results of our one-dimensional calculations based on the extended Bernoulli-Euler equations to three-dimensional electromechanically coupled finite element results in ANSYS 12.0. The results with the simple Bernoulli-Euler model agree well with the three-dimensional finite element results.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.37
no.2
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pp.113-120
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2009
To numerically simulate aerodynamics of rotor-airframe interaction in a rigorous manner, we need to solve the Navier-Stokes system for a rotor-airframe combination in a single computational domain. This imposes a computational burden since rotating blades and a stationary body have to be simultaneously dealt with. An efficient alternative is a momentum source method in which the action of rotor is approximated as momentum source in a stationary mesh system built around the airframe. This makes the simulation much easier. The magnitude of the momentum source is usually evaluated by the blade element theory, which often results in a poor accuracy. In the present work, we evaluate the momentum source from the simulation data by using the Navier-Stokes equations only for a rotor system. Using this data, we simulated the time-averaged steady rotor-airfame interaction and developed the unsteady rotor-airframe interaction. Computations were carried out for the simplified rotor-airframe model (the Georgia Tech configuration) and the results were compared with experimental data. The results were in good agreement with experimental data, suggesting that the present approach is a usefull method for rotor-airframe interaction analysis.
Steel plate shear wall (SPSW) system has been increasingly used for lateral loads resisting system since 1980s when the utilization of post-buckling strength of SPSW was realized. The structural response of SPSWs largely depends on the behavior of the surrounded beams. The beams are normally required to behave in the elastic region when the SPSW fully buckled and formed the tension field action. However, most modern design codes do not specify how this requirement can be achieved. This paper presents theoretical investigation and design procedures of manually calculating the plastic flexural capacity of the beams of SPSWs and can be considered as an extension to the previous work by Qu and Bruneau (2011). The reduction in the plastic flexural capacity of beam was considered to account for the presence of shear stress that was altered towards flanges at the boundary region, which can be explained by Saint-Venant's principle. The reduction in beam web was introduced and modified based on the research by Qu and Bruneau (2011), while the shear stress in the web in this research is excluded due to the boundary effect. The plastic flexural capacity of the beams is given by the superposition of the contributions from the flanges and the web. The developed equations are capable of predicting the plastic moment of the beams subjected to combined shear force, axial force, bending moment, and tension fields induced by yielded infill panels. Good agreement was found between the theoretical results and the data from previous research for flexural capacity of beams.
Nanofluids are dispersions of particles smaller than 100 nm (nanoparticles) in base fluids. They exhibit high thermal conductivity and are mainly applied in cooling applications. Nanolubricants use nanoparticles in base oils as lubricant additives, and have recently started gathering increased attention owing to their potential to improve the tribological and thermal performances of various machinery. Nanolubricants reduce friction and wear, mainly by the action of nanoparticles; however, only a few studies have considered the rheological properties of lubricants. In this study, we adopt a parallel slider bearing model that does not generate geometrical wedge effects, and conduct thermohydrodynamic (THD) analyses to evaluate the effect of higher thermal conductivity and viscosity, which are the main rheological properties of nanolubricants, on the lubrication performances. We use a commercial computational fluid dynamics code, FLUENT, to numerically analyze the continuity, Navier-Stokes, energy equations with temperature-viscosity-density relations, and thermal conductivity and viscosity models of the nanolubricant. The results show the temperature and pressure distributions, load-carrying capacity (LCC), and friction force for three film-temperature boundary conditions (FTBCs). The effects of the higher thermal conductivity and viscosity of the nanolubricant on the LCC and friction force differ significantly, according to the FTBC. The thermal conductivity increases with temperature, improving the cooling performance, reducing LCC, and slightly increasing the friction. The increase in viscosity increases both the LCC and friction. The analysis method in this study can be applied to develop nanolubricants that can improve the tribological and cooling performances of various equipment; however, additional research is required on this topic.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.3A
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pp.243-250
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2009
The purpose of this study is to investigate several strategies that can be used to extend the span of conventional PSC girder bridge and to propose a systematic procedure to evaluate the effect of each strategy on the span. In the preceding companion paper, fundamental equations were derived which constitute the assessment graphs and a possible domain for the design. Quantitative evaluation for extension of the span follows here by adopting a sample PSC girder bridge. It apparently shows a number of advantages of the proposed scheme in finding out why and how each strategy contributes to the span extension and in suggesting further improvement for a longer span. The results imply that increasing the strength of a girder, the multistage prestressing with the secondary tendons prestressed before composite action with a deck, and Decked PSC girder are very effective among the strategies examined. It is expected that the span of the PSC girder bridge can be well extended up to 50 m to 70 m which corresponds to a span of the conventional box girder bridges.
Han, Sun-Jin;Kim, Jae Hyun;Choi, Seung-Ho;Heo, Inwook;Kim, Kang Su
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.3
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pp.311-321
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2022
In the buildings with long spans and high floors, such as logistics warehouses and semiconductor factories, it is difficult to install supporting posts under beams during construction. Therefore, the size of structural members becomes larger inevitably, resulting in a significant increase in construction costs. Accordingly, a prestressed hybrid wide flange (PHWF) beam with hollowed steel webs was developed, which can reduce construction costs by making multiple openings in the web of the steel member embedded in concrete. However, since multiple openings exist and prestress is introduced only into the bottom flange concrete, it is necessary to identify the shear resistance mechanism of the PHWF beam. This study presents experimental shear tests of PHWF beams with hollowed steel webs. Four PHWF beams with cast-in-place (CIP) concrete were fabricated, with key variables being the width and spacing of the steel webs embedded in the concrete and the presence of shear reinforcing bars, and web-shear tests were conducted. The shear behavior of the PHWF beam, including crack patterns, strain behavior of steel webs, and composite action between the prestressed bottom flange and CIP concrete, were measured and analyzed comprehensively. The test results showed that the steel web resists external shear forces through shear deformation when its width is sufficiently large, but as its width decreased, it exerted its shear contribution through normal deformation in a manner similar to that of shear reinforcing bars. In addition, it was found that stirrups placed on the cross section where the steel web does not exist contribute to improving the shear strength and deformation capacity of the member. Based on the shear behavior of the specimens, a straightforward calculation method was proposed to estimate the web-shear strength of PHWF beams with CIP concrete, and it provided a good estimation of the shear strength of PHWF beams, more accurate than the existing code equations.
A mathematical model is proposed to analyze the force; acting on the hard contact lens fitted on the cornea. The model incorporates the nonlinear equations and their numerical solution program, based on the formulations of surface tension force arising from the capillary action in the tear-film layer between the lens and cornea. The model simulates how the adhesion between lens and cornea varies according to the base curves and diameters of the lenses. When the spherical lens is fitted on the spherical cornea it is to rotate downward due to the weight of lens itself until it reaches an equilibrium position along the cornea where the counter(upward) moment caused by net force between the upper and lower portion of the periphery of lens. It is found that both the adhesion and displacement of lens along the cornea, where the gravity of lens balances the capillary-induced upward force, increases rapidly as the base curve of lens increases, i.e., as the lens gets flatter, while the increase in the diameter of lenses has resulted in the less increase in the rotation and adhesion. With the base curve and diameters of lenses being remained constant the increase in surface tension of tear film yields the increase in the adhesion between the cornea and lens while the initial rotation of lens is inversely proportional to the surface tension of the tear film.
The sedimentary rocks exposed around Mt. Palgong were subjected to metamorphism due to a granitic magma intrusion at late Cretaceous, and they eventually metamorphosed to hornfels by the action of both hydrothermal solution and high temperature supplied from the magma. The hornfels zone around the granite body ranges from 2.0 to 3.5 km in width but the boundary between hornfels and sedimentary rocks is not obviously defined because the metamorphic grade gradually decreases with distance from the granite boundary. A series of laboratory tests on 350 core specimens made by 35 fresh rock blocks obtained from 5 selected locations around Mt. Palgong are performed to verify the variation of physical and mechanical properties related to metamorphic grade of the rock. Water content and absorption ratio of the hornfels linearly increase with distance to the granite boundary whereas dry unit weight, p-wave velocity, point load strength, and slake durability index linearly decrease with the distance. These results imply that the metamorphic grade of the hornfels also linearly decrease with the distance to granite boundary. Empirical equations for the variation of properties with the distance to granite boundary and relationship between a property and another one are deduced by regression analyses. And a criteria for classification of hornfels exposed in the study area based on the P-wave velocity and point load strength is proposed.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.16
no.7
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pp.5009-5014
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2015
Hydraulic uplift which is caused by the action of pore water pressure can be occurred in clay underlain by granular soil during conducting narrow excavation. Estimation of hydraulic uplift is done by considering soil beam. In order to execute more precise estimation of hydraulic uplift, determination of stress distribution in soil beam is necessary. This study presents stress distribution and displacement distribution in the soil beam based on the theory of elasticity. Stress distribution developed in the soil beam by self weight was derived using stress function depicted by $5^{th}$ order of polynomial and it was seen that vertical stresses along the depth of the soil beam show parabolic distribution and those directions be downward. Regarding soil beam which has the weight of $16kN/m^3, thickness and depth are 1m respectively, maximum vertical stress was about 1.7kPa. Stress distribution by the aciton of pore water pressure was derived via superposition of the stresses corresponding to the self weight and it can be seen that vertical compressive stresses act along the depth of the soil beam when the magnitude of pore water pressure equal to 5 times of the self weight is considered. Equations for prediction of the displacements in the soil beam are also presented.
The yield responses of three isogenic lines in plant type of paddy rice(open-, spread- and broom-type) as affected by combined treatments of transplanting densities (47.62, 22.22, 15.15, 11.11 and 8.33 hills per sq. meter) and rates of fertilizer application (0, 0.5, 1.0 and 1.5 folds of standard rate) were studied by using of the partial differentiations by planting density(D):df(D,F)/dD, fertilizer rate(F):df(D,F)/dF, and their interaction(DXF):d$^2$ f(D,F)/dDdF from the multiple regression polynominal equations. Under the condition of wider planting, the broom-type showed most prominent and sensitive responses in yield among others. Also the action of transplanting density in the broom-type were positive both at lower and higher densities. Under the lower densities, the broom-type represented positive actions both at lower and higher rates of fertilizer application. Whereas the interactions between the density and fertilizer rate under the lower densities were rather negative. To achieve the labor-saving by lower transplanting density(11-14 hills per sq. meter), the amount of fertilizer rates were estimated as 1.3-1.5 folds much of the standard in the open-type, whereas more than 1.5 folds in the broom-type. Thus, the potentials to absorb more amounts of fertilizer may explain the compensating function of the broom-type for equivalent yields of the standards at reduced transplanting densities.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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