Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.22
no.2
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pp.57-64
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2022
In this paper, the physical model and governing equations of a shallow arch with a moving boundary were studied. A model with a moving boundary can be easily found in a long span retractable roof, and it corresponds to a problem of a non-cylindrical domain in which the boundary moves with time. In particular, a motion equation of a shallow arch having a moving boundary is expressed in the form of an integral-differential equation. This is expressed by the time-varying integration interval of the integral coefficient term in the arch equation with an un-movable boundary. Also, the change in internal force due to the moving boundary is also considered. Therefore, in this study, the governing equation was derived by transforming the equation of the non-cylindrical domain into the cylindrical domain to solve this problem. A governing equation for vertical vibration was derived from the transformed equation, where a sinusoidal function was used as the orthonormal basis. Terms that consider the effect of the moving boundary over time in the original equation were added in the equation of the transformed cylindrical problem. In addition, a solution was obtained using a numerical analysis technique in a symmetric mode arch system, and the result effectively reflected the effect of the moving boundary.
When setting up a structure with an embedded shallow arch, there is a phenomenon where the end of the arch moves. To study the so-called moving domain problem, one try to transform a considered noncylindrical domain into the cylindrical domain using the transform operator, as well as utilizing the method of penalty and other approaches. However, challenges arise when calculating time derivatives of solutions in a domain depending on time, or when extending the initial conditions from the non-cylindrical domain to the cylindrical domain. In this paper, we employ the transform operator to prove the existence and uniqueness of weak solutions of the shallow arch equation on the moving domain as clarifying the time derivatives of solutions in the moving domain.
Ferezghi, Yaser Sadeghi;Sohrabi, Mohamad R.;MosaviNezhad, Seyed M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.6
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pp.659-669
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2018
The Dynamic equations in the polar coordinates are drawn out using the MLPG method for the non-symmetric FG cylindrical shell. To simulate the mechanical properties of FGM, the nonlinear volume fractions for radial direction are used. The shape function applied in this paper is a form of the radial basis functions, by using this function all the requirements for an effective and suitable shape function are established. Hence in this study, the multiquadrics (MQ) radial basis functions are exploited as the shape function governing the problem. The MLPG method is combined with the the Newmark time approximation scheme to solve dynamic equations in the time domain. The obtained results by the MLPG method to be verified are compared with the analytical solution and the FEM. The obtained results through the MLPG method show a good agreement in comparison to other results and the MLPG method has high accuracy for dynamic analysis of the non-symmetric FG cylindrical shell. To demonstrate the capability of the present method to dynamic analysis of the non-symmetric FG cylindrical shell, it is analyzed dynamically with different volume fraction exponents under harmonic and rectangular shock loading. The present method shows high accuracy, efficiency and capability to dynamic analysis of the non-symmetric FG cylindrical shell with nonlinear grading patterns.
In this paper, an actively controlled aerostatic bearing is studied to overcome the defects of air bearing such as low stiffness and damping coefficients. The actively controlled aerostatic bearing is composed of aerostatic bearings, non-contact type of displacement sensors, piezoelectric actuators and controllers. The cylindrical capacitance sensor (CCS) is used as the displacement sensor. The reason for using CCS instead of the commercial gap sensor is that it can give us the pure error motion of the spindle because it removes the roundness error or the geometric errors in the spindle. The controller is designed by the state space equation and quadratic optimal control theory. The characteristic data of the actively controlled aerostatic bearing system in the frequency domain are presented and the stiffness and damping coefficients of the bearing are mentioned. This paper shows the possibility to reduce the motion error up to 6000 rpm.
In this study, a 3D numerical model was used to predict nonlinear wave forces on a cylindrical pile installed in a shallow water region. The model was based on solving the viscous and incompressible Navier-Stokes equations for a two-phase flow (water and air) model and the volume of fluid method for treating the free surface of water. A new application was developed based on the cut-cell method to allow easy installation of complicated obstacles (e.g., bottom geometry and cylindrical pile) in a computational domain. Free-surface elevation, water particle velocities, and inline wave forces were calculated, and the results show good agreement with experimental data obtained by the Danish Hydraulic Institute. The simulation results revealed that the proposed model can, without the use of empirical formulas (i.e., Morison equation) and additional wave analysis models, reliably predict non-linear wave forces on an offshore wind turbine foundation installed in a shallow water region.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.57
no.5
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pp.271-277
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2020
Recoverability and vulnerability of navy ships under underwater explosion are critical verification factors in the acquisition phase of navy ships. This paper aims to establish numerical analysis techniques for the underwater explosion of navy ships. Doubly Asymptotic Approach (DAA) Equation of Motion (EOM) of primary shock wave and secondary bubble pulse proposed by Geers-Hunter was introduced. Assuming a non-compressive fluid, reference solution of the DAA EOM of Geers-Hunter using Runge-Kutta method was derived for the secondary bubble pulse phase with an assumed charge conditions. Convergence analyses to determine fluid element size were performed, suggesting that the minimum fluid element size for underwater explosion analysis was 0.1 m. The spherical and cylindrical fluid domains were found to be appropriate for the underwater explosion analyses from the fluid domain shape study. Because the element size of 0.1 m was too small to be applied to the actual navy ships, a very slender beam with the square solid section was selected for the study of fluid domain existence effect. The two underwater explosion models with/without fluid domain provided very similar results in terms of the displacement and stress processes.
The energy absorption characteristics of diamond core sandwich cylindrical columns under axial crushing process depend greatly on the amount of material which participates in the plastic deformation. Both the single-objective and multi-objective optimizations are performed for columns under axial crushing load with core thickness and helix pitch of the honeycomb core as design variables. Models are optimized by multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm to achieve maximum specific energy absorption (SEA) capacity and minimum peak crushing force (PCF). Results show that optimization improves the energy absorption characteristics with constrained and unconstrained peak crashing load. Also, it is concluded that the aluminum tube has a better energy absorption capability rather than steel tube at a certain peak crushing force. The results justify that the interaction effects between the honeycomb and column walls greatly improve the energy absorption efficiency. A ranking technique for order preference (TOPSIS) is then used to sort the non-dominated solutions by the preference of decision makers. That is, a multi-criteria decision which consists of MOPSO and TOPSIS is presented to find out a compromise solution for decision makers. Furthermore, local and global sensitivity analyses are performed to assess the effect of design variable values on the SEA and PCF functions in design domain. Based on the sensitivity analysis results, it is concluded that for both models, the helix pitch of the honeycomb core has greater effect on the sensitivity of SEA, while, the core thickness has greater effect on the sensitivity of PCF.
The analysis of nonlinear vibrations, buckling, post-buckling, flutter boundary determination and post-flutter behavior of a homogeneous curved plate assuming cylindrical bending is conducted in this article. Other assumptions include simply-supported boundary conditions, supersonic aerodynamic flow at the top of the plate, constant pressure conditions below the plate, non-viscous flow model (using first- and third-order piston theory), nonlinear structural model with large deformations, and application of mechanical and thermal loads on the curved plate. The analysis is performed with constant environmental indicators (flow density, heat, Reynolds number and Mach number). The material properties (i.e., coefficient of thermal expansion and modulus of elasticity) are temperature-dependent. The equations are derived using the principle of virtual displacement. Furthermore, based on the definitions of virtual work, the potential and kinetic energy of the final relations in the integral form, and the governing nonlinear differential equations are obtained after fractional integration. This problem is solved using two approaches. The frequency analysis and flutter are studied in the first approach by transferring the handle of ordinary differential equations to the state space, calculating the system Jacobin matrix and analyzing the eigenvalue to determine the instability conditions. The second approach discusses the nonlinear frequency analysis and nonlinear flutter using the semi-analytical solution of governing differential equations based on the weighted residual method. The partial differential equations are converted to ordinary differential equations, after which they are solved based on the Runge-Kutta fourth- and fifth-order methods. The comparison between the results of frequency and flutter analysis of curved plate is linearly and nonlinearly performed for the first time. The results show that the plate curvature has a profound impact on the instability boundary of the plate under supersonic aerodynamic loading. The flutter boundary decreases with growing thermal load and increases with growing curvature.
This study examines the operational effectiveness of a Convection Current Aeration System (CCAS) in reservoir. CCAS was run from June, 2008 when the thermocline begun forming in the reservoir. This paper reviews the influence of stratification, dissolved oxygen dynamics and temperature in the lake's natural state from June to October 2008. The survey was done on a week basis. Upwelling flow effects a radius of $7{\sim}10m$ at a surface directly and was irrelevant to the strength of thermocline. On the other hand, it was affected the number of working days, and strength of thermocline at vertical profiles of the reservoir. Longer CCAS run, the deeper was the vertical direct flow area. However it didn't break the thermocline during summer season of 2008. The operating efficiency of the CCAS in the reservoir depends on hydraulics and meteological conditions. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a very useful tool for evaluating the operating efficiency of fluid dynamics. The geometry for CFD simulation consists of a cylindrical vessel 25 m radius and 40 m height. The CCAS is located in center of domain. The non-uniform tetrahedral meshes had a bulk of the geometry. The meshes ranged from the coarse to the very fine. This is attributed to the cold water flowing into the downcomer and rising, creating a horizontal flow to the top of the CCAS. The result of CFD demonstrate a closer agreement with surveyed data for temperature and flow velocity. Theoretical dispersion volume were calculated at 8m depth, 120 m diameter working for 30 days and 10 m depth, 130 m diameter working for 50 days.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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