This paper deals with the modal analysis of rotational shell structures by means of the numerical solution technique known as the Generalized Differential Quadrature (G. D. Q.) method. The treatment is conducted within the Reissner first order shear deformation theory (F. S. D. T.) for linearly elastic isotropic shells. Starting from a non-linear formulation, the compatibility equations via Principle of Virtual Works are obtained, for the general shell structure, given the internal equilibrium equations in terms of stress resultants and couples. These equations are subsequently linearized and specialized for the rotational geometry, expanding all problem variables in a partial Fourier series, with respect to the longitudinal coordinate. The procedure leads to the fundamental system of dynamic equilibrium equations in terms of the reference surface kinematic harmonic components. Finally, a one-dimensional problem, by means of a set of five ordinary differential equations, in which the only spatial coordinate appearing is the one along meridians, is obtained. This can be conveniently solved using an appropriate G. D. Q. method in meridional direction, yielding accurate results with an extremely low computational cost and not using the so-called "delta-point" technique.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.24
no.2
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pp.47-54
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1987
Linear and nonlinear hydrodynamic force, which acts on submerged circular and eilliptic cylinders in oscillations as well as in advancing motion, are investigated as an initial-boundary value problem using a numerical method, which makes use of the source distribution on the body surface and the spectral method for treating the free surface waves. In the numerical code developed here, the boundary condition at the body surface is linearized. Using the numerical code so attained, nonlinear effects for different forward speeds and of the large-amplitude motion are computed. One of the major findings is that, when the forward speed is large, the added mass has its minimum and the damping force change rapidly around the frequency corresponding to the speed-frequency parameter, $\tau$=0.25, Compared to the result of Grue's [10], who used linear theory to get abrupt changes in values of the added mass and the damping force at the frequency corresponding to $\tau$=0.25, the present study, which takes nonlinear effects into account, shows much smoother variations near the frequency.
The paper deals with the study of the mechanical time-harmonic forced vibration of the hydro-piezoelectric system consisting of the piezoelectric plate and compressible viscous fluid with finite depth. The exact equations of motion of the theory of linear electro-elasticity for piezoelectric materials are employed for describing the plate motion, however, the fluid flow is described by employing the linearized Navier-Stokes equations for a compressible (barotropic) viscous fluid. The plane-strain state in the plate and the plane flow of the fluid are considered and the corresponding mathematical problems are solved by employing the Fourier transform with respect to the space coordinate which is on the coordinate axis directed along the platelying direction. The expressions of the corresponding Fourier transform are determined analytically, however, the inverse transforms are found numerically. Numerical results on the interface pressure and the electrical potential are obtained for various PZT materials and these results are discussed. According to these results, in particular, it is established that the electromechanical coupling effect can significantly decrease the interface pressure.
With the sharp increase of the oil price, the issue of the energy saving requires even higher propulsive efficiency of the propellers. Traditionally the propellers have been designed with the criteria such as that of Lerbs optimum based on the lifting line theory and the empirical formulae of Lerbs and van Manen giving relations of the wake pitch with the wake non-uniformity. With the aid of the high speed computer, it is now possible to apply the time-consuming iterative approaches for the solution of the lifting surface problems. In this paper we formulate the variational problem to optimize the efficiency of the propeller operating in the given ship wake using the lifting surface method. The variational formulation relating the spanwise circulation distribution with the propulsive efficiency to be maximized is however non-linear in circulation distribution functions, thus the iterative method is applied to the quasi-linearized equations. The blade shape design also requires the iterative procedures, because the shape of the blade which is represented by the lifting surface is unknown a priori. The numerical code was validated with the DTNSRDC propeller 4119 which is well-known to be optimum in uniform inflow condition. In addition existing (well-designed) commercial propellers were selected and compared with the results of the open water tests and the self-propulsion tests.
The stability analysis for CWR is difficult in the theory itself because both geometric and material nonlinearity should be considered. Also the analysis results are varied according to the loading history. In contrast to the complexity in the theory, the analysis results for CWR on the railway bridges are quite simple and can be predicted because of a small buckling effect and its negligible nonlinearity. In this study, refined nonlinear analysis methods for the stability analysis of CWR on the railway bridges were developed which consider only material nonlinearity beeause the effects of geometric nonlinearity are nominal. In this study, the analysis results can be found within limited number of iterations with idealized linear force-displacement relationship. From the analysis result comparisons, it was found that the stability analysis for CWR on the railway bridges can be performed effectively by this method.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.27
no.4
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pp.15-26
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1990
This paper describes a potential-baoed panel method formulated for the analysis cf a supercavitating two-dimensional symmetri strut. The method employs normal dipoles and sources distributed on the foil and cavity surfaces to represent the potential flow around the cavitating hydrofoil. The kinematic boundary condition on the wetted portion of the foil surface is satisfied by requiring that the total potential vanish in the fictitious inner flow region of the foil, and the dynamic boundary condition on the cavity surface is satisfied by requiring that the potential vary linearly, i.e., the tangential velocity be constant. Green's theorem then results in a potential-based integral equation rather than the usual velocity-based formulation of Hess & Smith type, With the singularities distributed on the exact hydrofoil surface, the pressure distributions are predicted with improved accuracy compared to those of the linearized lifting surface theory, especially near the leading edge. The theory then predicts the cavity shape and cavitation number for an assumed cavity length. To improve the accuracy, the sources and dipoles on the cavity surface are moved to the newly computed cavity surface, where the boundary conditions are satisfied again. This iteration process is repeated until the results are converged.
Thorium compounds have attracted immense scientific and technological attention with regard to both fundamental and practical implications, owing to unique chemical and physical properties like high melting point, high density and thermal conductivity. Hereby, we investigate the mechanical and thermodynamic stability and report on the structural, electronic and magnetic properties of new silicon-doped cubic ternary thorium phosphides ThSixP1-x (x = 0, 0.25, 0.5, 0.75 and 1). The first-principles density functional theory procedure was adopted within full-potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW) method. The exchange and correlation potential terms were treated within Generalized-Gradient-Approximation functional modified by Perdew-Burke-Ernzerrhof parameterizations. The proposed compounds showed mechanical and thermodynamic stable structure and hence can be synthesized experimentally. The calculated lattice parameters, bulk modulus, total energy, density of states, electronic band structure and spin magnetic moments of the compounds revealed considerable correlation to the Si substitution for P and the relative Si/P doping concentration. The electronic and magnetic properties of the doped compounds rendered them non-magnetic but metallic in nature. The main orbital contribution to the Fermi level arises from the hybridization of Th(6d+5f) and (Si+P)3p states. Reported results may have potential implications with regard to both fundamental point of view and technological prospects such as fuel materials for clean nuclear energy.
Besides promising implications as fertile nuclear materials, thorium carbonitrides are of great interest owing to their peculiar physical and chemical properties, such as high density, high melting point, good thermal conductivity. This paper reports first-principles simulation results on the structural, electronic and magnetic properties of cubic thorium carbonitrides $ThC_xN_{(1-x)}$ (X = 0.03125, 0.0625, 0.09375, 0.125, 0.15625) employing formalism of density-functional-theory. For the simulation of physical properties, we incorporated full-potential linearized augmented plane-wave (FPLAPW) method while the exchange-correlation potential terms in Kohn-Sham Equation (KSE) are treated within Generalized-Gradient-Approximation (GGA) in conjunction with Perdew-Bruke-Ernzerhof (PBE) correction. The structural parameters were calculated by fitting total energy into the Murnaghan's equation of state. The lattice constants, bulk moduli, total energy, electronic band structure and spin magnetic moments of the compounds show dependence on the C/N concentration ratio. The electronic and magnetic properties have revealed non-magnetic but metallic character of the compounds. The main contribution to density of states at the Fermi level stems from the comparable spectral intensity of Th (6d+5f) and (C+N) 2p states. In comparison with spin magnetic moments of ThSb and ThBi calculated earlier with LDA+U approach, we observed an enhancement in the spin magnetic moments after carbon-doping into ThN monopnictide.
Probing the electronic structures of crystalline Mg-silicates at high pressure is essential for understanding the various macroscopic properties of mantle materials in Earth's interior. Quantum chemical calculations based on the density functional theory are used to explore the atomic configuration and electronic structures of Earth materials at high pressure. Here, we calculate the partial density of states (PDOS) and O K-edge energy-loss near-edge structure (ELNES) spectra for $MgSiO_3$ perovskite at 25 GPa and 120 GPa using the WIEN2k program based on the full-potential linearized projected augmented wave (FP-LPAW) method. The calculated PDOS and O K-edge ELNES spectra for $MgSiO_3$ Pv show significant pressure-induced changes in their characteristic spectral features and relative peak intensity. These changes in spectral features of $MgSiO_3$ Pv indicate that the pressure-induced changes in local atomic configuration around O atoms such as Si-O, O-O, and Mg-O length can induce the significant changes on the local electronic structures around O atoms. The result also indicates that the significant changes in O K-edge features can results from the topological densification at constant Si coordination number. This study can provide a unique opportunity to understand the atomistic origins of pressure-induced changes in local electronic structures of crystalline and amorphous $MgSiO_3$ at high pressure more systematically.
Recently, it has been shown that quantum coherence appears in energy transfers of various photosynthetic lightharvesting complexes at from cryogenic to even room temperatures. Because the photosynthetic systems are inherently complex, these findings have subsequently interested many researchers in the field of both experiment and theory. From the theoretical part, simplified dynamics or semiclassical approaches have been widely used. In these approaches, the quantum-classical Liouville equation (QCLE) is the fundamental starting point. Toward the semiclassical scheme, approximations are needed to simplify the equations of motion of various degrees of freedom. Here, we have adopted the Poisson bracket mapping equation (PBME) as an approximate form of QCLE and applied it to find the time evolution of the excitation in a photosynthetic complex from marine algae. The benefit of using PBME is its similarity to conventional Hamiltonian dynamics. Through this, we confirmed the coherent population transfer behaviors in short time domain as previously reported with a more accurate but more time-consuming iterative linearized density matrix approach. However, we find that the site populations do not behave according to the Boltzmann law in the long time limit. We also test the effect of adding spurious high frequency vibrations to the spectral density of the bath, and find that their existence does not alter the dynamics to any significant extent as long as the associated reorganization energy is changed not too drastically. This suggests that adopting classical trajectory based ensembles in semiclassical simulations should not influence the coherence dynamics in any practical manner, even though the classical trajectories often yield spurious high frequency vibrational features in the spectral density.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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