Nonlinear behavior in fluid-structure interaction (FSI) of bridge decks becomes increasingly significant for modern bridges with increasing spans, larger flexibility and new aerodynamic deck configurations. Better understanding of the nonlinear aeroelasticity of bridge decks and further development of reduced-order nonlinear models for the aeroelastic forces become necessary. In this paper, the amplitude-dependent and neutral angle dependent nonlinearities of the motion-induced loads are further highlighted by series of computational fluid dynamics (CFD) simulations. An effort has been made to investigate a semi-analytical time-domain model of the nonlinear motion induced loads on the deck, which enables nonlinear time domain simulations of the aeroelastic responses of the bridge deck. First, the computational schemes used here are validated through theoretically well-known cases. Then, static aerodynamic coefficients of the Great Belt East Bridge (GBEB) cross section are evaluated at various angles of attack, leading to the so-called nonlinear backbone curves. Flutter derivatives of the bridge are identified by CFD simulations using forced harmonic motion of the cross-section with various frequencies. By varying the amplitude of the forced motion, it is observed that the identified flutter derivatives are amplitude-dependent, especially for $A^*_2$ and $H^*_2$ parameters. Another nonlinear feature is observed from the change of hysteresis loop (between angle of attack and lift/moment) when the neutral angles of the cross-section are changed. Based on the CFD results, a semi-analytical time-domain model for describing the nonlinear motion-induced loads is proposed and calibrated. This model is based on accounting for the delay effect with respect to the nonlinear backbone curve and is established in the state-space form. Reasonable agreement between the results from the semi-analytical model and CFD demonstrates the potential application of the proposed model for nonlinear aeroelastic analysis of bridge decks.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.18
no.1
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pp.38-45
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2019
In this paper, the stability of the tunnel boring machine (TBM), used in tunnel excavation, according to the thrust force of the thrust jack was investigated. The existing hydraulic cylinder analysis method is fluid-structure interaction (FSI) analysis, where all of the flow setting and dynamic characteristics should be considered. Therefore, there is a need for a method to solve this problem simply and quickly. To facilitate this, the theoretical pressure in the hydraulic cylinder was calculated and compared with the analytical and experimental results. In the case of the analysis, the pressure generated inside the cylinder was analyzed statically, considering the operating characteristics of the shield TBM, and the stress and pressure were calculated. This method simplifies the analysis environment and shortens the analysis time compared to the existing analysis method. The obtained theoretical and analytical data were compared with the measured data during actual tunneling, and the analysis and experimental data showed a relative error of approximately 23.89%.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.15
no.6
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pp.3423-3428
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2014
Numerical studies were performed to evaluate the structural safety of a greenhouse under both snow and wind loads. In the case of a wind load, fluid-structure interaction (FSI) method was used to consider the local pressure distributions on the greenhouse-induced by aerodynamic characteristics. The results showed that the maximum stress and deformation occur near the junction of pipe supports and rafters of the roof, where connecting clips are installed. Moreover, the wind load is a more severe condition than a snow load. Overall, these results will be used to design a prefabricated connecting clip with easy installation and low maintenance.
Immersed boundary-Lattice Boltzmann Method (IB-LBM) is used for the analysis of flow over the circular cylinder in the concept of fluid-structure interaction analysis (FSI). Recently, IB-LBM has shown the enormous possibility for the application of various biomedical engineering fields, such as the movement of a human body or the behavior of the blood cells and/or particle-based drug delivery system in blood vessels. In order for the numerical analysis of the interaction between fluid and solid object, immersed boundary method and lattice Boltzmann method are coupled to analyze the flow over a cylinder for low Reynolds laminar flow (Re=10, 20, 40 and 100) with Zhu-He boundary condition at the boundary. With the developed IB-LBM, the flow around the cylinder in the uniform flow is analyzed for the laminar flow and the drag and lift coefficients and recirculation length are compared to the previous results.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.4
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pp.1024-1040
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2014
The theoretical background and a numerical solution procedure for a time domain hydroelastic code are presented in this paper. The code combines a VOF-based free surface flow solver with a flexible body motion solver where the body linear elastic deformation is described by a modal superposition of dry mode shapes expressed in a local floating frame of reference. These mode shapes can be obtained from any finite element code. The floating frame undergoes a pseudo rigid-body motion which allows for a large rigid body translation and rotation and fully preserves the coupling with the local structural deformation. The formulation relies on the ability of the flow solver to provide the total fluid action on the body including e.g. the viscous forces, hydrostatic and hydrodynamic forces, slamming forces and the fluid damping. A numerical simulation of a flexible barge is provided and compared to experiments to show that the VOF-based flow solver has this ability and the code has the potential to predict the global hydroelastic responses accurately.
Kim, Yo-Han;Kim, Dong-Hyun;Hwang, Mi-Hyun;Kim, Kyung-Hee;Hwang, Byung-Sun;Hong, Un-Sung
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.14
no.3
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pp.39-44
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2011
In this study, performance analyses have been conducted for a 5MW class wind turbine blade model. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics(CFD) and computational structural dynamics(CSD) has been developed in order to investigate detailed dynamic responsed of wind turbine blade. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with K-${\epsilon}$ turbulence model are solved for unsteady flow problems of the rotating turbine blade model. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3D turbine blade for fluid-structure interaction (FSI) problems. Predicted aerodynamic performance considering structural deformation effect of the blade show different results compared to the case of rigid blade model.
This paper was prepared to investigate the behavior of fragments in underwater torpedo explosion beneath a frigate or surface ship by using an explicit finite element analysis. In this study, a fluid-structure interaction (FSI) methodology, called the multi-material arbitrary Lagrangian-Eulerian (MM-ALE) approach in LS-DYNA, was employed to obtain the responses of the torpedo fragments and frigate hull to the explosion. The Euler models for the analysis were comprised of air, water, and explosive, while the Lagrange models consisted of the fragment and the hull. The focus of this modeling was to examine whether a worst-case fragment could penetrate the frigate hull located close (4.5 m) to the exploding torpedo. The simulation was performed in two separate steps. At first, with the assumption that the expanding skin of the torpedo had been torn apart by consuming 30% of the explosive energy, the initial velocity of the worst-case fragment was sought based on a well-known experimental result concerning the fragment velocity in underwater bomb explosion. Then, the terminal velocity of the worst-case fragment that is expected to occur before the fragment hit the frigate hull was sought in the second step. Under the given conditions, the possible initial velocities of the worst-case fragment were found to be very fast (400 and 1000 m/s). But, the velocity difference between the fragment and the hull was merely 4 m/s at the instant of collision. This result was likely to be due to both the tremendous drag force exerted by the water and the non-failure condition given to the frigate hull. Anyway, at least under the given conditions, it is thought that the worst-case fragment seldom penetrate the frigate hull because there is no significant velocity difference between them.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.17
no.1
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pp.33-38
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2005
This study has been conducted to investigate flow characteristics of a micropump with piezoelectric materials. In this study, the change of flow rates has been investigated for different positions of the inlet and outlet and for different distances between them. The FSI(Fluid Structure Interaction) method has been employed for numerical analysis of the piezoelectric diffuser/nozzle based micropump. It has been found that time averaged flow rate is greater in the case that distance between the inlet and outlet is longer. For the cases where the positions of the inlet are different with the position of the fixed outlet at the center, the flow rate is increased as the inlet is located farther from the center. This study may supply fundamental understandings for the design and analysis of the prototypes of piezoelectric micropumps.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.6
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pp.552-559
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2011
An interest in Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) finite element methods has been increased due to more accurate responses in Fluid-Structure Interaction(FSI) problems. The multi-material ALE approach was applied to the prediction of the acceleration response of free-fall lifeboat, and its responses were compared to those of the single-material ALE one. It could be found that even though there was no big difference in the simulation responses of two methods, the single-material and multi-material ALE ones, the latter multi-material ALE method showed a little bit more close response to those of experimental results compared to the former single-material ALE one, especially in the x- and z-direction acceleration responses. Through this study, it could be found that several parameters in the ALE algorithms have to be examined more carefully for a good structural safety assessment of FSI problems.
Kim, Yongse;Kong, Dongjae;Shin, SangJoon;Park, Kihoon;Im, Kangsoo
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.22
no.4
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pp.24-35
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2018
Impeller blades in the centrifugal compressor are subjected to periodic aerodynamic excitations by interactions between the impeller and the diffuser vanes (DV) in resonant conditions. This may cause high cycle fatigue (HCF) and eventually result in failure of the blades. In order to predict the structural response accurately, the aerodynamic excitation and the major resonant conditions were predicted using unsteady computational fluid dynamics (CFD) and structural analysis. Then, a forced vibration analysis was performed by going through one-way fluid-structure interaction (FSI). A numerical analysis procedure was established to evaluate the structural safety with respect to HCF. The numerical analysis procedure proposed in this paper is expected to contribute toward preventing HCF problems in the initial design stage of an impeller.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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