A numerical simultaneous solution involving a linear elastic model was applied to study the fluid-structure interaction (FSI) of membrane structures under wind actions, i.e., formulating the fluid-structure system with a single equation system and solving it simultaneously. The linear elastic model was applied to managing the data transfer at the fluid and structure interface. The monolithic equation of the FSI system was formulated by means of variational forms of equations for the fluid, structure and linear elastic model, and was solved by the Newton-Raphson method. Computation procedures of the proposed simultaneous solution are presented. It was applied to computation of flow around an elastic cylinder and a typical FSI problem to verify the validity and accuracy of the method. Then fluid-structure interaction analyses of a saddle membrane structure under wind actions for three typical cases were performed with the method. Wind pressure, wind-induced responses, displacement power spectra, aerodynamic damping and added mass of the membrane structure were computed and analyzed.
The traditional computational fluid or structure dynamics analysis approaches have contributed to solve many delicate engineering problems. But for the most of recent engineering problems which are influenced by fluid-structure interaction effect strongly, traditional individual approaches have limited analysis abilities for the exact simulation. Owing to above-mentioned reason, nowadays fluid-structure interaction analysis has become a matter of concern and interest. FSI analysis require several unprecedented techniques for the combining individual analysis tool into integrated analysis tool. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE, in short) method is the new description of continum motion,which combines the advantages of the classical kinematical descriptions, i.e. Lagrangian and Eulerian description, while minimizing their respective drawbacks. In this paper, the ALE description is adapted to simulate fluid-structure interaction problems. An automatic re-mesh algorithm and a fluid-structure coupling process are included to analyze the interaction and moving motion during the 2-D axisymmetric solid rocket interior FSI phenomena simulation.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.45
no.2
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pp.168-174
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2008
To calculate the fluid-structure interaction(FSI) problem rationally, it should be the basic technology to analyse each domain of fluid and structure accurately. In this paper, a new FSI analysis algorithm was introduced using the 3D solid finite element for structural analysis and CFD code based on the HCIB method for viscous flow analysis. The fluid and structural domain were analysed successively and alternatively in time domain. The structural domain was analysed by the Newmark-b direct time integration scheme using the pressure field calculated by the CFD code. The results for example calculation were compared with other research and it was shown that those coincided each other. So we can conclude that the developed algorithm can be applied to the general FSI problems.
The present study deals with the hydroelastic vibration analysis of structures in contact with fluid via coupled fluid-structure interaction (FSI) embedded with a finite element method (FEM) such that a structure displacement formulation is coupled with a fluid pressure-displacement formulation. For the preliminary study and validation of FEM based coupled FSI analysis, hydroelastic vibration characteristics of a rectangular plate in contact with fluid are first compared with the elastic vibration in terms of boundary condition and mode frequency. Numerical results from coupled FSI analysis have been shown to be rational and accurate, compared to energy method based theoretical solutions and experimental results. The effect of free surface on the vibration mode is numerically studied by changing the submerged depth of a rectangular plate. As a practical application, the hull structural vibration of 4,000 twenty-foot equivalent units (TEU) container ship is considered. Hydroelastic results of the ship hull structure are compared with those obtained from the elastic condition.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.5
no.3
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pp.92-98
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2006
In this study, the behavior characteristics of a hydrostatic thrust bearing used in hydraulic equipment was analyzed using a commercial finite element program, ADINA. The solid domain was modeled with the fluid domain simultaneously to solve the fully coupled problem, because this is a problem where a fully coupled analysis is needed in order to model the fluid-structure interaction(FSI). The results such as bearing deformation, stress, film thickness and lifting bearing force were obtained through FSI analysis, and then they were compared with the results calculated from the classical method, a single step sequential analysis. It was found that the result difference between two analyses was increased according to the injection pressure. Therefore, in case of high pressure loading, it is desirable to conduct the FSI analysis to examine the deformation characteristics of a hydrostatic slipper bearing.
An adaptive modeling and simulation technique is introduced for the effective and reliable fluid-structure interaction analysis using MSC/Dytran for large-scale complex pressurized liquid containment. The proposed method is composed of a series of the global rigid sloshing analysis and the locally detailed fluid-structure analysis. The critical time at which the system exhibits the severe liquid sloshing response is sought through the former analysis, while the fluid-structure interaction in the local region of interest at the critical time is analyzed by the latter analysis. Differing from the global coarse model, the local fine model considers not only the complex geometry and flexibility of structure but the effect of internal pressure. The locally detailed FSI problem is solved in terms of multi-material volume fractions and the flow and pressure fields obtained by the global analysis at the critical time are specified as the initial conditions. An in-house program for mapping the global analysis results onto the fine-scale local FSI model is developed. The validity and effectiveness of the proposed method are verified through an illustrative numerical experiment.
Ha, Yoon-Do;Kim, Min-Geun;Cho, Hyun-Gyu;Cho, Seon-Ho
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.44
no.2
s.152
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pp.130-138
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2007
A coupled variational equation for fluid-structure interaction (FSI) problems is derived from a steady state Navier-Stokes equation for incompressible Newtonian fluid and an equilibrium equation for geometrically nonlinear structures. For a fully coupled FSI formulation, between fluid and structures, a traction continuity condition is considered at interfaces where a no-slip condition is imposed. Under total Lagrange formulation in the structural domain, finite rotations are well described by using the second Piola-Kirchhoff stress and Green-Lagrange strain tensors. An adjoint shape design sensitivity analysis (DSA) method based on material derivative approach is applied to the FSI problem to develop a shape design optimization method. Demonstrating some numerical examples, the accuracy and efficiency of the developed DSA method is verified in comparison with finite difference sensitivity. Also, for the FSI problems, a shape design optimization is performed to obtain a maximal stiffness structure satisfying an allowable volume constraint.
Kim, Jonghwan;Ko, Seughee;Bae, Jaesung;Hwang, Jaihyuk
Journal of Aerospace System Engineering
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v.6
no.4
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pp.1-6
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2012
The morphing flap wing has different structure unliked general wing structure. The actuated chord length of the morphing flap was more longer than conventional wing flap. In this reason, morphing flap wing structure was important to bending moment by aerodynamic lift force. In this study, through the fluid-structure interaction using computational fluid dynamics and structure finite element analysis to apply that the morphing flap wing's static aeroelastic stability analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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