In this paper, the Finite-Analytic Navier-Stokes (FANS) code is coupled with an in-house finite-element code to study the dynamic interaction between a floating buoy and its mooring system. Hydrodynamic loads on the buoy are predicted with the FANS module, in which Large Eddy Simulation (LES) is used as the turbulence model. The mooring lines are modeled based on a slender body theory. Their dynamic responses are simulated with a nonlinear finite element module, MOORING3D. The two modules are coupled by transferring the forces and displacements of the buoy and its mooring system at their connections through an interface module. A free-decay model test was used to calibrate the coupled method. In addition, to investigate the capability of the present coupled method, numerical simulations of two degree-of-freedom vortex-induced motion of a CALM buoy in uniform currents were performed. With the study it can be verified that accurate predictions of the motion responses and tension responses of the CALM buoy system can be made with the coupling CFD-FEM method.
Soft-story buildings have bottom stories much less rigid than the top stories and are susceptible to earthquake damage. Therefore, the seismic design specifications need strict design considerations in such cases. In this paper, a four-story building was investigated as a case study and the effects of X-braces elimination in its lower stories studied. In addition, the possibility of replacement of the X-braces in soft-stories with equivalent moment resisting frame inspected in two different phases. In first phase, the stiffness of X-braces and equivalent moment-resisting frames evaluated using classic equations. In final phase, diagonals removed from the lowest story to develop a soft-story and replaced with moment resisting frames. Then, the seismic stiffness variation of moment-resisting frame evaluated using nonlinear static and dynamic analyses. The results show that substitution of braced frames with an equivalent moment-resisting frame of the same stiffness increases story drift and reduces energy absorption capacity. However, it is enough to consider the needs of building codes, even using equivalent moment resisting frame instead of X-Braces, to avoid soft-story stiffness irregularity in seismic design of buildings. Besides, soft-story development in the second story may be more critical under strong ground excitations, because of interaction of adjacent stories.
Di Egidio, Angelo;Pagliaro, Stefano;Fabrizio, Cristiano;de Leo, Andrea M.
Coupled systems mechanics
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v.8
no.4
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pp.351-375
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2019
The present work investigates the use of a rigid rocking block as a tool to reduce vibrations in a frame structure. The study is based on a simplified model composed by a 2-DOF linear system, meant to represent a general M-DOF frame structure, coupled with a rocking rigid block through a linear visco-elastic device, which connects only the lower part of the 2-DOF system. The possibility to restrain the block directly to the ground, by means of a second visco-elastic device, is investigated as well. The dynamic response of the model under an harmonic base excitation is then analysed in order to evaluate the effectiveness of the coupling in reducing the displacements and the drift of the 2-DOF system. The nonlinear equations of motion of the coupled assemblage 2-DOF-block are obtained by a Lagrangian approach and then numerically integrated considering some reference mechanical and geometrical quantities as variable parameters. It follows an extensive parametric analysis, whose results are summarized through behaviour maps, which portray the ratio between the maximum displacements and drifts of the system, with and without the coupling with the rigid block, for several combinations of system's parameters. When the ratio of the displacements is less than unity, the coupling is considered effective. Results show that the presence of the rocking rigid block improves the dynamics of the system in large ranges of the characterizing parameters.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.1
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pp.314-328
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2019
This paper attempts to combine the pneumatic breakwater and submerged breakwater to increase the effectiveness of wave damping for long-period waves. A series of physical experiments concerning pneumatic breakwater, submerged breakwater and their joint breakwater was conducted and used to validate a mathematical model based on Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, the RNG $k-{\varepsilon}$ turbulence model and the VOF method. In addition, the mathematical model was used to investigate the wave transmission coefficients of three breakwaters. The nonlinear wave propagation behaviors and the energy transfer from lower frequencies to higher frequencies after the submerged breakwater were investigated in detail. Furthermore, an optimal arrangement between pneumatic breakwater and submerged breakwater was obtained for damping longer-period waves that cannot be damped effectively by the pneumatic breakwater alone. In addition, the reason for the appearance of the combination effect is that part of the energy of the transmitted waves over the submerged breakwater transfers to shorter-period waves. Finally, the impact of the joint breakwater on the wave field during wave propagation process was investigated.
Samimifar, Maryam;Massumi, Ali;Moghadam, Abdolreza S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.3
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pp.289-301
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2019
Hysteretic energy is defined as energy dissipated through inelastic deformations during a ground motion by the system. It includes frequency content and duration of ground motion as two remarkable parameters, while these characteristics are not seen in displacement spectrum. Since maximum displacement individually cannot be the appropriate criterion for damage assessment, hysteretic energy has been evaluated in this research as a more comprehensive seismic demand parameter. An innovative methodology has been proposed to establish a new equivalent linear model to estimate hysteretic energy spectrum for bilinear SDOF models under two different sets of earthquake excitations. Error minimization has been defined in the space of equivalent linearization concept, which resulted in equivalent damping and equivalent period as representative parameters of the linear model. Nonlinear regression analysis was carried out for predicting these equivalent parameter as a function of ductility. The results also indicate differences between seismic demand characteristics of far-field and near-field ground motions, which are not identified by most of previous equations presented for predicting seismic energy. The main advantage of the proposed model is its independency on parameters related to earthquake and response characteristics, which has led to more efficiency as well as simplicity. The capability of providing a practical energy based seismic performance evaluation is another outstanding feature of the proposed model.
Shape ellipticity dependence of the exciton fine energy levels in CdTe and CdSe nanocrystal quantum dots were compared theoretically by considering the crystal structure and the Coulomb interaction of an electron and a hole. While quantum dot ellipticity changes from an oblate to prolate quantum dot via spherical shape, both the fine energy levels and the dipole moment in wurtzite structure of a CdSe quantum dot change linearly for ellipticity. In contrast, CdTe quantum dots were found to show a level crossing between the bright and dark exciton states with a significant change of the dipole moment due to the cubic structure. Shape ellipticity dependence of the optical nonlinearities in CdTe and CdSe nanocrystal quantum dots was also calculated by using semiconductor Bloch equations. For a spherical shape quantum dot, only $1^L$ dominates the optical nonlinearities in a CdSe quantum dot, but both $1^U$ and $0^U$ contribute in a CdTe quantum dot. As excitation pulse area becomes strong (${\sim}{\pi}$), the optical nonlinearities of both CdSe and CdTe quantum dots are mainly governed by absorption saturation. However, in the case of a prolate CdTe quantum dot, the real part of the nonlinear refractive index becomes relatively significant.
In this work, quasi three-dimensional (quasi-3D) shear deformation theory is presented for bending and dynamic analysis of functionally graded (FG) plates. The effect of varying material properties and volume fraction of the constituent on dynamic and bending behavior of the FG plate is discussed. The benefit of this model over other contributions is that a number of variables is diminished. The developed model considers nonlinear displacements through the thickness and ensures the free boundary conditions at top and bottom faces of the plate without using any shear correction factors. The basic equations that account for the effects of transverse and normal shear stresses are derived from Hamilton's principle. The analytical solutions are determined via the Navier procedure. The accuracy of the proposed formulation is proved by comparisons with the different 2D, 3D and quasi-3D solutions found in the literature.
The main objective of this paper is to study the axial buckling and post-buckling of geometrically imperfect single-layer graphene sheets (GSs) under in-plane loading in the theoretical framework of the nonlocal strain gradient theory. To begin with, a graphene sheet is modeled by a two-dimensional plate subjected to simply supported ends, and supposed to have a small initial curvature. Then according to the Hamilton's principle, the nonlinear governing equations are derived with the aid of the classical plate theory and the von-karman nonlinearity theory. Subsequently, for providing a more accurate physical assessment with respect to the influence of respective parameters on the mechanical performances, the approximate analytical solutions are acquired via using a two-step perturbation method. Finally, the authors perform a detailed parametric study based on the solutions, including geometric imperfection, nonlocal parameters, strain gradient parameters and wave mode numbers, and then reaching a significant conclusion that both the size-dependent effect and a geometrical imperfection can't be ignored in analyzing GSs.
This paper describes a study of the mapping relationship between the vertical deformation of bridge structures and rail deformation of high-speed railway, taking the interlayer interactions of the bridge subgrade CRTS II ballastless slab track system (HSRBST) into account. The differential equations and natural boundary conditions of the mapping relationship between the vertical deformation of bridge structures and rail deformation were deduced according to the principle of stationary potential energy. Then an analytical model for such relationship was proposed. Both the analytical method proposed in this paper and the finite element numerical method were used to calculate the rail deformations under three typical deformations of bridge structures and the evolution of rail geometry under these circumstances was analyzed. It was shown that numerical and analytical calculation results are well agreed with each other, demonstrating the effectiveness of the analytical model proposed in this paper. The mapping coefficient between bridge structure deformation and rail deformation showed a nonlinear increase with increasing amplitude of the bridge structure deformation. The rail deformation showed an obvious "following feature"; with the increase of bridge span and fastener stiffness, the curve of rail deformation became gentler, the track irregularity wavelength became longer, and the performance of the rail at following the bridge structure deformation was stronger.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.57
no.6
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pp.331-344
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2020
Ship's hydrodynamic coefficients in manoeuvring equations are generally derived by captive model tests or numerical calculations. Empirical formulas have been also proposed in some previous researches, which were useful for practical predictions of hydrodynamic coefficients of a ship by using main dimensions only. In this study, ship's hydrodynamic coefficients based on empirical formulas were optimized by using its free running test data. Eight manoeuvring performance indices including steady turning radius, reach in zig-zag as well as well-known IMO criteria indices are selected in order to compare simulation results with free runs effectively. Sensitivities of hydrodynamic coefficients on manoeuvring performance indices are analyzed. And hydrodynamic coefficients are tuned within fixed bounds in order of sensitivity so that they are tuned as little as possible. Linear and nonlinear coefficients are successively tuned by using zig-zag and turning performance indices. Trajectories and velocity components by simulations with tuned hydrodynamic coefficients are in good agreements with free running tests. Tuned coefficients are also compared with coefficients by captive model tests or RANS calculations in other previous researches, and the magnitudes and signs of tunes are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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