In this paper, a meshfree shell adaptive procedure is developed for the applications in the sheet metal forming simulation. The meshfree shell formulation is based on the first-order shear deformable shell theory and utilizes the degenerated continuum and updated Lagrangian approach for the nonlinear analysis. For the sheet metal forming simulation, an h-type adaptivity based on the meshfree background cells is considered and a geometric error indicator is adopted. The enriched nodes in adaptivity are added to the centroids of the adaptive cells and their shape functions are computed using a first-order generalized meshfree (GMF) convex approximation. The GMF convex approximation provides a smooth and non-negative shape function that vanishes at the boundary, thus the enriched nodes have no influence outside the adapted cells and only the shape functions within the adaptive cells need to be re-computed. Based on this concept, a multi-level refinement procedure is developed which does not require the constraint equations to enforce the compatibility. With this approach the adaptive solution maintains the order of meshfree approximation with least computational cost. Two numerical examples are presented to demonstrate the performance of the proposed method in the adaptive shell analysis.
Laminated plates have many applications in different industrials. Buckling analysis of these structures with the nano-scale reinforcement has not investigated yet. However, buckling analysis of embedded laminated plates with nanocomposite layers is studied in this paper. Considering the single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as reinforcement of layers, SWCNTs agglomeration effects and nonlinear analysis using numerical method are the main contributions of this paper. Mori-Tanaka model is applied for obtaining the equivalent material properties of structure and considering agglomeration effects. The elastic medium is simulated by spring and shear constants. Based on first order shear deformation theory (FSDT), the governing equations are derived based on energy method and Hamilton's principle. Differential quadrature method (DQM) is used for calculating the buckling load of system. The effects of different parameters such as the volume percent of SWCNTs, SWCNTs agglomeration, number of layers, orientation angle of layers, elastic medium, boundary conditions and axial mode number of plate on the buckling of the structure are shown. Results indicate that increasing volume percent of SWCNTs increases the buckling load of the plate. Furthermore, considering agglomeration effects decreases the buckling load of system. In addition, it is found that the present results have good agreement with other works.
Pour, H. Rahimi;Arani, A. Ghorbanpour;Sheikhzadeh, G.A.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.6
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pp.691-714
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2017
Rotating fluid induced vibration and instability of embedded piezoelectric nano-composite separators subjected to magnetic and electric fields is the main contribution of present work. The separator is modeled with cylindrical shell element and the structural damping effects are considered by Kelvin-Voigt model. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are used as reinforcement and effective material properties are obtained by mixture rule. The perturbation velocity potential in conjunction with the linearized Bernoulli formula is used for describing the rotating fluid motion. The orthotropic surrounding elastic medium is considered by spring, damper and shear constants. The governing equations are derived on the bases of classical shell theory (CST), first order shear deformation theory (FSDT) and sinusoidal shear deformation theory (SSDT). The nonlinear frequency and critical angular fluid velocity are calculated by differential quadrature method (DQM). The detailed parametric study is conducted, focusing on the combined effects of the external voltage, magnetic field, visco-Pasternak foundation, structural damping and volume percent of SWCNTs on the stability of structure. The numerical results are validated with other published works as well as comparing results obtained by three theories. Numerical results indicate that with increasing volume fraction of SWCNTs, the frequency and critical angular fluid velocity are increased.
In the most of previous studies, researchers have restricted their own studies to consider the effect of single walled carbon nanotubes as a reinforcement on the vibrational behavior of structures. In the present work, free vibration characteristics of functionally graded annular plates reinforced by multi-walled carbon nanotubes resting on Pasternak foundation are presented. The response of the elastic medium is formulated by the Winkler/Pasternak model. Modified Halpin-Tsai equation was used to evaluate the Young's modulus of the multi-walled carbon nanotube/epoxy composite samples by the incorporation of an orientation as well as an exponential shape factor in the equation. The exponential shape factor modifies the Halpin-Tsai equation from expressing a straight line to a nonlinear one in the multi-walled carbon nanotubes wt% range considered. The 2-D generalized differential quadrature method as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the equations of motion and to implement the various boundary conditions. The effects of two-parameter elastic foundation modulus, geometrical and material parameters together with the boundary conditions on the frequency parameters of the plates are investigated. This study serves as a benchmark for assessing the validity of numerical methods or two-dimensional theories used to analysis of annular plates.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.1
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pp.77-99
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2017
Offshore oscillating water columns (OWC) represent one of the most promising forms of wave energy converters. The hydrodynamic performance of such converters heavily depends on their interactions with ocean waves; therefore, understanding these interactions is essential. In this paper, a fully nonlinear 2D computational fluid dynamics (CFD) model based on RANS equations and VOF surface capturing scheme is implemented to carry out wave energy balance analyses for an offshore OWC. The numerical model is well validated against published physical measurements including; chamber differential air pressure, chamber water level oscillation and vertical velocity, overall wave energy extraction efficiency, reflected and transmitted waves, velocity and vorticity fields (PIV measurements). Following the successful validation work, an extensive campaign of numerical tests is performed to quantify the relevance of three design parameters, namely incoming wavelength, wave height and turbine damping to the device hydrodynamic performance and wave energy conversion process. All of the three investigated parameters show important effects on the wave-pneumatic energy conversion chain. In addition, the flow field around the chamber's front wall indicates areas of energy losses by stronger vortices generation than the rear wall.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.11
no.2
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pp.95-106
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1999
A numerical model is represented to calculate the wave fields such as the reflected waves, the transmitted waves and the depth-averaged velocities over submerged breakwaters for the normally incident wave trains of nonlinear mono-chromatic wave and solitary wave. The finite amplitude shallow water equations with the effects of bottom friction are solved numerically in time domain using an explicit dissipative Lax-Wendroff finite difference method. The numerical model is verified by comparisons with the other numerical results and the measured data. It is found that the submerged breakwater may be more useful for protecting the energies of monochromatic waves rather than solitary waves. Finally, the armor stability on submerged breakwater is indirectly analyzed using the hydrodynamic characteristics of flow fields.
Valido, Anibal J.;Sousa, Luis G.;Cardoso, J. Barradas
Structural Engineering and Mechanics
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v.4
no.1
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pp.25-35
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1996
This paper describes a continuum variational formulation for design optimization of nonlinear structures in the elastic-plastic domain, where unloading and reloading of the structures are allowed to occur. The Total Lagrangian procedure is used for the description of the structural deformation. The direct differentiation approach is used to derive the sensitivities of the various structural response measures with respect to the design parameters. Since the material goes into the inelastic range and unloading and reloading of the structure are allowed to occur, the structural response is path dependent and an additional step is needed to integrate the constitutive equations. It can be shown, consequently, that design sensitivity analysis is also path-dependent. The theory has been discretized by the finite element technique and implemented in a structural analysis code. Mathematical programming approach is used for the optimization process. Numerical applications on trusses are performed, where cross-sectional areas and nodal point coordinates are treated as design variables. Optimal designs have been obtained and compared by using two different strategies: a two level strategy where the levels are defined accordingly the type of design variables, cross sectional areas or node coordinates, and optimizing simultaneously with respect to both types of design variables.
The potential of the liquid column vibration absorber (LCVA) as a seismic vibration control device for structures has been explored in this paper. In this work, the structure has been modeled as a linear, viscously damped single-degree-of-freedom (SDOF) system. The governing differential equations of motion for the damper liquid and for the coupled structure-LCVA system have been derived from dynamic equilibrium. The nonlinear orifice damping in the LCVA has been linearized by a stochastic equivalent linearization technique. A transfer function formulation for the structure-LCVA system has been presented. The design parameters of the LCVA have been identified and by applying the transfer function formulation the optimum combination of these parameters has been determined to obtain the most efficient control performance of the LCVA in terms of the reduction in the root-mean-square (r.m.s.) displacement response of the structure. The study has been carried out for an example structure subjected to base input characterized by a white noise power spectral density function (PSDF). The sensitivity of the performance of the LCVA to the coefficient of head loss and to the tuning ratio have also been examined and compared with that of the liquid column damper (LCD). Finally, a simulation study has been carried out with a recorded accelerogram, to demonstrate the effectiveness of the LCVA.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.35
no.1
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pp.1-14
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1998
A two-dimensional numerical model for tidal currents based on the depth averaged equation is developed. The mode1 employs a rectangular grid system for its simplicity in the application of complicate coastal shore lines. To raise computing efficiency, implicit approximate factorization scheme is implemented in solving governing equations. An upwind-differencing is used to discretize convective terms, which provides a numerical dissipation automatically and suppresses any oscillations caused by nonlinear instabilities. Some numerical tests are made against the analytic solutions of a linearized shallow water equation to validate the developed numerical scheme, and comparisons of the model prediction with the analytic solution are satisfactory. As a real application, the tidal currents are computed on the Inchon area where the tidal currents are important for the design of new canal which is under construction.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers
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v.45
no.2
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pp.216-223
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1996
The active power factor control AC/DC converter needs a current loop compensator to obtain better dynamic characteristics and power factor performance, but the optimal design of a current loop compensator is difficult because the AC/DC converter is a nonlinear system having periodically varying poles and zeros. The predictive current control scheme generates a control input using the dynamic equations of the AC/DC converter so that the dynamic of the AC/DC converter is included in the controller and the necessary bandwidth and the gain characteristics of the current control loop are satisfied. And as a result, a compensator becomes unnecessary and the current loop shows the improved current loop characteristics. In this paper, a power factor controller without current loop compensator by adopting a predictive current control scheme is designed and the designed power factor controller is modelled by using a small signal perturbation modelling technique, and simulated to investigate its small signal characteristics. A 200 W power factor control AC/DC converter is built to verify the effectiveness of the proposed power factor controller.
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