This work presents a practical detailed finite element (FE) approach for the three-dimensional (3D) free-vibration analysis of actual aircraft and spacecraft-type lightweight and thin honeycomb sandwich panels. It consists of calling successively in $MATLAB^{(R)}$, via a developed user-friendly GUI, a detailed 3D meshing tool, a macrocommands language translator and a commercial FE solver($ABAQUS^{(R)}$ or $ANSYS^{(R)}$). In contrary to the common practice of meshing finely the faces and core cells, the proposed meshing tool represents each wall of the actual hexagonal core cells as a single two-dimensional (2D) 4 nodes quadrangularshell element or two 3 nodes triangular ones, while the faces meshes are obtained simply using the nodes at the core-faces interfaces. Moreover, as the same 2D FE interpolation type is used for meshing the core and faces, this leads to an automatic handling of their required FE compatibility relations. This proposed approach is applied to a sample made of very thin glass fiber reinforced polymer woven composite faces and a thin aluminum alloy hexagonal honeycomb core. The unknown or incomplete geometric and materials properties are first collected through direct measurements, reverse engineering techniques and experimental-FE modal analysis-based inverse identification. Then, the free-vibrations of the actual honeycomb sandwich panel are analyzed experimentally under different boundary conditions and numerically using different mesh basic cell shapes. It is found that this approach is accurate for the first few modes used for pre-design purpose.
This paper describes the analysis of dynamic characteristics and prediction of the stiffness for the joint between structural members. In the process of deriving the governing equations, the stiffness values responsible for the moment and shear force were modelled by using linear and torsional springs in the middle of a clamped-clamped beam. The sensitivities of the natural frequency and modal assurance criterion were investigated as a function of the dimensionless linear and torsional spring stiffness. The reliability of the predictions for the linear and torsional stiffness values was verified by the inverse computations of the stiffness matrix. The predictive and exact theoretical stiffness values were compared for the stiffness element in the finite element formulation, and their results show an excellent correlation. It is strongly anticipated that although the proposed methodology is currently limited to the analytical utilization, it will provide a useful tool to estimate unknown joint stiffness values based on the experimental natural frequency and mode shape.
섬유금속적층판은 금속과 섬유 강화 복합소재를 함께 적층한 하이브리드 재료 중 하나다. 섬유금속적층판은 계면의 접착층이 파괴되는 층간분리 현상이 발생할 수 있기 때문에 계면의 접착층에 대한 한계응력과 에너지 해방률을 실험적으로 도출해야만 한다. 하지만, 온도에 따른 에너지 해방률을 실험적으로 도출하는 과정에서 측정 장비의 사용 온도에 대한 제약을 받는다. 따라서, 본 연구에서는 Levenberg-Marquardt 기법을 기반한 역해석 기법을 사용하여 접착층에 대한 모드 I 한계응력과 에너지 해방률에 대한 예측 가능성을 확인하는 것이 목표다. 먼저, 한계응력은 접착층의 인장강도와 같다고 가정하였으며, 에너지 해방률은 DCB 시험(double cantilever beam test)을 수행하여 정의하였다. 또한, 유한요소법 기반 모델을 적용하여 한계응력과 에너지 해방률을 수치해석적으로 예측할 수 있는 지 확인하였다. 그 후, Levenberg-Marquardt 기법을 유한요소법 기반 모델에 적용하여 모드 I 한계응력과 에너지 해방률을 수치해석적으로 예측하였다. 아울러, 본 연구에서 사용한 역해석 기법의 수렴성을 확보하기 위하여 두 가지 경우의 초기 매개변수에 대한 역해석을 추가적으로 수행하였다. 결과적으로, 본 연구에서 사용한 역해석 기법은 모드 I 한계응력과 에너지 해방률을 효과적으로 예측할 수 있음을 보였다.
A structure is broken down into a number of substructures by means of the finite element method and the substructures are synthesized for the complete structure. The divided substructures take two types: fixed-free and free-free elements. The flexibility and stiffness matrices of the free-free elements are the Moore-Penrose inverse of each other. Thus, it is not easy to determine the equilibrium equations of the complete structure composed of two mixed types of substructures. This study provides the general form of equilibrium equation of the entire structure through the process of assembling the equilibrium equations of substructures with end conditions of mixed types. Applications demonstrate that the proposed method is effective in the structural analysis of geometrically complicated structures.
The partial differential equations for a coil spring derived from Timoshenko beam theory and Frenet formulae. Dynamic stiffness matrix of a coil spring composed of a circular wire is assembled by using dispersion relationship, waves and natural frequencies. Natural frequencies are obtained from maxima in the determinant of inverse of a dynamic stiffness matrix with appropriate boundary conditions. The results of the dynamic stiffness method are compared with those of transfer matrix method, finite element method and test.
This study deals with a method based on the modified bivariate gamma function for reconstructions of dynamic behavior of delaminated composite plates subjected to impact loads. The proposed bivariate gamma function is associated with micro-genetic algorithms, which is capable of solving inverse problems to determine the stiffness reduction associated with delamination. From computing the unknown parameters, it is possible for the entire dynamic response data to develop a prediction model of the dynamic response through a regression analysis based on the measurement data. The validity of the proposed method was verified by comparing with results employing a higher-order finite element model. Parametric results revealed that the proposed method can reconstruct dynamic responses and the stiffness reduction of delaminated composite plates can be investigated for different measurements and loading locations.
This paper describes an adaptive management approach for predicting, monitoring, and controlling ground movements associated with excavations in urban areas. Successful use of monitoring data to update performance predictions of supported excavations depends equally on reasonable numerical simulations of performance, the type of monitoring data used as observations, and the optimization techniques used to minimize the difference between predictions and observed performance. This paper summarizes each of these factors and emphasizes their inter-dependence. Numerical considerations are described, including the initial stress and boundary conditions, the importance of reasonable representation of the construction process, and factors affecting the selection of the constitutive model. Monitoring data that can be used in conjunction with current numerical capabilities are discussed, including laser scanning and webcams for developing an accurate record of construction activities, and automated and remote instrumentations to measure movements. Self-updating numerical models that have been successfully used to compute anticipated ground movements, update predictions of field observations and to learn from field observations are summarized. Applications of these techniques from case studies are presented to illustrate the capabilities of this approach.
암반사면의 전도파괴는 암반이나 토체가 기존 파괴면을 따라 미끄러지는 다른 파괴형태와는 달리 암주 혹은 암블록의 회전을 동반하는 파괴형태로 정의된다. 이는 사면방향에 대해 역방향으로 발달된 불연속면이 존재하는 구역에서 주로 발생하며, 불연속면의 지질학적 특성뿐 아니라 기하학적인 특성도 사면의 안정성을 판단하는 중요한 요소로 작용된다. 본 연구에서는 역방향 불연속면이 발달된 절토사면에 대해 안정성을 평가하였다. 일반적으로 암반의 파괴거동은 불연속체 특성을 가지고 있으나 최근 연속체 해석에서 불연속면을 모사하는 수치해석방법들이 많이 논의되고 있다. 본 연구에서는 연속체 해석인 유한요소해석에 불연속면을 이질적인 경계특성에 적용되는 계면요소를 이용하여 모사함으로써 불연속면이 고려된 사면의 거동특성을 파악하였다.
HVDC (high-voltage direct current) 시스템에 TP (thermoplastic) 케이블을 안전하게 사용하기 위해서는 다양한 연구와 테스트를 통해 운전 중 발생할 수 있는 시스템 고장으로 인한 케이블의 수명 손실률 분석이 필요하다. 본 논문에서는 HVDC 시스템 운영 중에 발생할 수 있는 고장 유형에 따른 TP 케이블의 절연체 수명 손실률을 분석하였다. TP 케이블 모델에 고장으로 인한 전력을 인가하고, 2D 유한요소법을 통한 분석 결과를 바탕으로 Arrhenius-IPM (Inverse Power Model)을 적용하여 절연체의 수명 손실률을 분석하였다. 분석결과 절연체 수명 손실률은 전기장 세기의 영향이 높았으며, 고장 발생 시 절연체 내부 측에서 손실률이 가장 높았다. 이러한 결과는 TP 케이블 상용화를 위한 초기 설계 단계에서 중요한 특성으로 사용될 수 있다.
This paper deals with the power loss and thermal characteristics of induction motor for machine tools according to the rated power and speed. To reduce the fabrication error by thermal strain in rotational machine tools, we calculated the power loss and thermal behavior of induction motors. Firstly, the inverse design of general induction motors for machine tool spindle has been performed. The inverse design results are compared with the torque-speed characteristic curve in motor's catalog. The power loss are calculated by finite element method(FEM) at rated condition. Secondary, the transient thermal characteristics of induction motors are calculated by equivalent thermal resistance model from Motor-CAD S/W. The inverse design, power loss and thermal behavior calculation for induction motors with various rated power and speed has been performed. Finally, to verify the design and calculation process of induction motor, we implemented the experimental set with 0.4kW 1710rpm class industrial induction motor model. The obtained thermal characteristics of experimental model confirmed that the design and power loss calculation processes are appropriate to the prediction of thermal strain in rotational machine tools.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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