This paper is concerned with the determination of exact buckling loads and vibration frequencies of variable thickness isotropic plates using well known finite difference technique. The plates are subjected to uni, biaxial compression and shear loadings and various combinations of boundary conditions are considered. The buckling load is found out as the in plane load that makes the determinant of the stiffness matrix equal to zero and the natural frequencies are found out by carrying out eigenvalue analysis of stiffness and mass matrices. New and exact results are given for many cases and the results are in close agreement with the published results. In this paper, like finite element method, finite difference method is applied in a very simple manner and the application of boundary conditions is also automatic.
For the general case of loading conditions and boundary conditions, it is very difficult to obtain closed form solutions for buckling loads and natural frequencies of thin-walled structures because its behaviour is very complex due to the coupling effect of bending and torsional behaviour. In consequence, most of previous finite element formulations are introduce approximate displacement fields to use shape functions as Hermitian polynomials, and so on. The Purpose of this study is to presents a consistent derivation of exact dynamic stiffness matrices of thin-walled straight beams, to be used ill tile free vibration analysis, in which almost types of boundary conditions are exist An exact dynamic element stiffness matrix is established from governing equations for a uniform beam element of nonsymmetric thin-walled cross section. This numerical technique is accomplished via a generalized linear eigenvalue problem by introducing 14 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. The natural frequency is evaluated for the thin-walled straight beam structure, and the results are compared with analytic solutions in order to verify the accuracy of this study.
Because a change in the natural frequencies of a structure indicates structural health problems, monitoring the natural frequencies crucial. Long-term measurement for the Uldolmok tidal current power plant structure has shown that its natural frequencies fluctuate with a constant cycle twice a day. In this study, lab-scale tests to investigate the causes of these natural frequency fluctuations were carried out in a circulating water channel. Three independent variables in the tests that could affect the fluctuation of the natural frequencies were the water level, current velocity, and boundary condition between the specimen and the bottom of the circulating water channel. The experimental results were verified with numerical ones using ABAQUS. It was found that the fluctuation of the natural frequencies was governed by a decrease in stiffness due to the boundary condition much more than the effect of added mass. In addition, it was found that the natural frequency would decrease with an increase in the tidal current velocity because of its nonlinearity when the boundary condition was severely deteriorated due to damage.
This paper studies the dynamic behavior of laminated composite circular cylindrical shells interacting with a fluid. The mathematical formulation of the dynamic problem for an elastic body is developed based on the variational principle of virtual displacements and the relations of linear elasticity theory. The behavior of an ideal compressible fluid is described by the potential theory, the equations of which together with boundary conditions are transformed to a weak form. The hydrodynamic pressure exerted by the fluid on the internal surface of the shell is calculated according to the linearized Bernoulli equation. The numerical implementation of the mathematical formulation has been done using the semi-analytical finite element method. The influence of the ply angle and lay-up configurations of laminated composites on the natural vibration frequencies and the hydroelastic stability boundary have been analyzed for shells with different geometrical dimensions and under different kinematic boundary conditions set at their edges. It has been found that the optimal value of the ply angle depends on the level of filling of the shell with a fluid. The obtained results support the view that by choosing the optimal configuration of the layered composite material it is possible to change upwards or downwards the frequency and mode shape, as well as the critical velocity for stability loss over a wide range.
In this study, the transverse vibrations of an axially moving flexible beams resting on multiple supports are investigated. The time-dependent velocity is assumed to vary harmonically about a constant mean velocity. Simple-simple, fixed-fixed, simple-simple-simple and fixed-simple-fixed boundary conditions are considered. The equation of motion becomes independent from geometry and material properties and boundary conditions, since equation is expressed in terms of dimensionless quantities. Then the equation is obtained by assuming small flexural rigidity. For this case, the fourth order spatial derivative multiplies a small parameter; the mathematical model converts to a boundary layer type of problem. Perturbation techniques (The Method of Multiple Scales and The Method of Matched Asymptotic Expansions) are applied to the equation of motion to obtain approximate analytical solutions. Outer expansion solution is obtained by using MMS (The Method of Multiple Scales) and it is observed that this solution does not satisfy the boundary conditions for moment and incline. In order to eliminate this problem, inner solutions are obtained by employing a second expansion near the both ends of the flexible beam. Then the outer and the inner expansion solutions are combined to obtain composite solution which approximately satisfying all the boundary conditions. Effects of axial speed and flexural rigidity on first and second natural frequency of system are investigated. And obtained results are compared with older studies.
This paper presents a theoretical analysis for the free vibration of rectangular tanks partially filled with an ideal liquid. Wet dynamic displacements of the tanks are approximated by combining the orthogonal polynomials satisfying the boundary conditions, since the rectangular tanks are composed of four rectangular plates. The classical boundary conditions of the tanks at the top and bottom ends are considered, such as clamped, simply supported, and clamped-free boundary conditions. As the facing rectangular plates are assumed to be geometrically and structurally identical, the vibration modes of the facing plates of the tanks can be divided into two categories: symmetric and antisymmetric modes with respect to the planes passing through the center of the tanks and perpendicular to the free liquid surface. The liquid displacement potentials satisfying the Laplace equation and liquid boundary conditions are derived, and the wet dynamic modal functions of a quarter of the tanks can be expanded by the finite Fourier transform for compatibility requirements along the contacting surfaces between the tanks and liquid. An eigenvalue problem is derived using the Rayleigh-Ritz method. Consequently, the wet natural frequencies of the rectangular tanks can be extracted. The proposed analytical method is verified by observing an excellent agreement with three-dimensional finite element analysis results. The effects of the liquid level and boundary condition at the top and bottom edges are investigated.
For the first time, an accurate analytical solution, based on coupled three-dimensional (3D) piezoelasticity equations, is presented for free vibration analysis of the angle-ply elastic and piezoelectric flat laminated panels under arbitrary boundary conditions. The present analytical solution is applicable to composite, sandwich and hybrid panels having arbitrary angle-ply lay-up, material properties, and boundary conditions. The modified Hamiltons principle approach has been applied to derive the weak form of governing equations where stresses, displacements, electric potential, and electric displacement field variables are considered as primary variables. Thereafter, multi-term multi-field extended Kantorovich approach (MMEKM) is employed to transform the governing equation into two sets of algebraic-ordinary differential equations (ODEs), one along in-plane (x) and other along the thickness (z) direction, respectively. These ODEs are solved in closed-form manner, which ensures the same order of accuracy for all the variables (stresses, displacements, and electric variables) by satisfying the boundary and continuity equations in exact manners. A robust algorithm is developed for extracting the natural frequencies and mode shapes. The numerical results are reported for various configurations such as elastic panels, sandwich panels and piezoelectric panels under different sets of boundary conditions. The effect of ply-angle and thickness to span ratio (s) on the dynamic behavior of the panels are also investigated. The presented 3D analytical solution will be helpful in the assessment of various 1D theories and numerical methods.
A numerical solution is presented for the natural convection heat transfer from two vertical fins using a spectral finite difference method. Virtual distant boundary conditions for two bodies that are compatible with plume behavior and with an overall continuity condition are introduced. A boundary-fitted coordinate system is formed. Streamlines, isotherms, mean Nusselt numbers and drag & lift coefficients are presented for a variety of dimensionless parameters such as a Grashof number and a Prandtl number at a steady-state. Extensive effectiveness of a spectral finite difference method was established.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.513-518
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2007
A polygon-wise constant curvature natural element approximation is presented in this paper for the numerical implementation of the abstract Kirchhoff plate model. The strict continuity requirement in the displacement field is relaxed by converting the area integral of the curvatures into the boundary integral along the Voronoi boundary. Curvatures and bending moments are assumed to be constant within each Voronoi polygon, and the Voronoi-polygon-wise constant curvatures are derived in a selective manner for the sake of the imposition of essential boundary conditions. The numerical results illustrating the proposed method are also given.
Sun Taek Lim;Koung Moon Kim;Jun-young Kang;Taewan Kim;Dong-Wook Jerng;Ho Seon Ahn
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.10
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pp.4077-4086
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2024
The natural circulation system has been widely studied for use in various applications because of its inherent advantage. However, it has a key weakness called flow instability that makes the system unstable. Through massive previous research, the mechanisms of flow instability were analyzed, but there was an ambiguous aspect related to the effect of experimental parameters on the phenomenon. Particularly, there has been no report on the heat transfer performance of the system when flow instability phenomena were present. In this study, thermal-hydraulic phenomena of a two-phase natural circulation system that functions as a passive containment cooling system (PCCS) was investigated according to experimental parameters, namely, the temperature boundary (120-158 ℃) and exit loss coefficient (0-34.5) under atmospheric pressure conditions. The experimental results showed five different flow types in the loop. The flow modes that occurred by the interaction between flashing and boiling were classified by referring to the mass flow rate, void fraction, and visualization data. The system was more unstable when the temperature boundary conditions increased, but it was more stable when the exit loss coefficient increased. These results have only been confirmed in our research. The reason for the results is that the flow conditions are located on the boundary between Density Wave Oscillation I and the stable flow region, and that boundary does not have clear criteria. In addition, comparing the heat transfer performance of a system by heat rate can confirm the effect of flow instability on the thermal performance of the passive cooling system. As a result, the high exit loss coefficient stabilizes the system better than the low case and has similar heat removal performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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