Studies of earthquakes over the last 50 years and the examination of dynamic soil behavior reveal that soil behavior is highly nonlinear and hysteretic even at small strains. Nonlinear behavior of soils during a seismic event has a predominant role in current site response analysis approaches. Common approaches to ground response analysis include linear, equivalent linear and nonlinear methods. These methods of ground response analysis may also be categorized into time domain and frequency domain concepts. Simplicity in developing analytical relations and accuracy in considering soils' dynamic properties dependency to loading frequency are benefits of frequency domain analysis. On the other hand, nonlinear methods are complicated and time consuming mainly because of their step by step integrations in time intervals. In part Ι of this paper, governing equations for seismic response analysis of surcharged and layered soils were developed using fundamental of wave propagation theory based on transfer function and boundary conditions. In this part, nonlinear seismic ground response is analyzed using extended HFTD method. The extended HFTD method benefits Newton-Raphson procedure which applies regular iterations and follows soils' fundamental stress-strain curve until convergence is achieved. The nonlinear HFTD approach developed here are applied to some examples presented in this part of the paper. Case studies are carried in which effects of some influencing parameters on the response are investigated. Results show that the current approach is sufficiently accurate, efficient, and fast converging. Discussions on the results obtained are presented throughout this part of the paper.
Li, Hui;Ou, Jinping;Zhang, Xigang;Pei, Minshan;Li, Na
Smart Structures and Systems
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v.15
no.3
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pp.555-576
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2015
The large number of long-span bridges constructed in China motivates the applications of structural health monitoring (SHM) technology. Many bridges have been equipped with sophisticated SHM systems in the mainland of China and in Hong Kong of China. Recently, SHM technology has been extended to field test systems. In this view, SHM can serve as a tool to develop the methods of life-cycle performance design, evaluation, maintenance and management of bridges; to develop new structural analysis methods through validation and feedback from SHM results; and to understand the behavior of bridges under natural and man-made disasters, rapidly assess the damage and loss of structures over large regions after disasters, e.g., earthquake, typhoon, flood, etc. It is hoped that combining analytical methods, numerical simulation, small-scale tests and accelerated durability tests with SHM could become the main engine driving the development of bridge engineering. This paper demonstrates the above viewpoint.
During rolling, rolling mill rolls endure wear when shaping metal billets into a desired form, such as bars, plates, and shapes. Such wear affects the lifespan of the rolls and product quality. Therefore, in addition to rigidity, wear performance is a key factor influencing the performance of rolling mill rolls. Conventional methods such as casting and forging have been used to manufacture rolling mill rolls. However, powder alloying methods are increasingly being adopted to enhance wear resistance. These powder manufacturing methods include atomization, canning to shape the powder, hot isostatic pressing to combine the powder alloy with conventional metals, and various wear performance tests on rolls prepared with powder alloys. In this study, numerical simulations and experimental tests were used to develop and elucidate the wear analysis mechanism of rolling mill rolls. The wear characteristics of the rolls under various rolling conditions were analyzed. In addition, experimental tests (wear and surface analysis tests) and wear theory (Archard wear model) were used to evaluate wear. These tests were performed on two different materials in various powder states to evaluate the different aspects of wear resistance. In particular, this study identifies the factors influencing the wear behavior of rolling mill rolls and proposes an analytical approach based on the actual production of products. The developed wear analysis mechanism can serve the future development of rolls with high wear resistance using new materials. Moreover, it can be applied in the mechanical and wear performance testing of new products.
In the framework of meshfree methods, a new methodology is developed based on radial point interpolation method (RPIM). This methodology is applied to a one-dimensional contaminant transport modelling in the saturated porous media. The one-dimensional form of advection-dispersion equation involving reactive contaminant is considered in the analysis. The Galerkin weak form of the governing equation is formulated using 1D meshfree shape functions constructed using thin plate spline radial basis functions. MATLAB code is developed to obtain the numerical solution. Numerical examples representing various phenomena, which occur during migration of contaminants, are presented to illustrate the applicability of the proposed method and the results are compared with those obtained from the analytical and finite element solutions. The proposed RPIM has generated results with no oscillations and they are insensitive to Peclet constraints. In order to test the practical applicability and performance of the RPIM, three case studies of contaminant transport through the landfill liners are presented. A good agreement is obtained between the results of the RPIM and the field investigation data.
From the equation of motion of a "bare" non-uniform beam (without any concentrated elements), an eigenfunction in term of four unknown integration constants can be obtained. When the last eigenfunction is substituted into the three compatible equations, one force-equilibrium equation, one governing equation for each attaching point of the concentrated element, and the boundary equations for the two ends of the beam, a matrix equation of the form [B]{C} = {0} is obtained. The solution of |B| = 0 (where ${\mid}{\cdot}{\mid}$ denotes a determinant) will give the "exact" natural frequencies of the "constrained" beam (carrying any number of point masses or/and concentrated springs) and the substitution of each corresponding values of {C} into the associated eigenfunction for each attaching point will determine the corresponding mode shapes. Since the order of [B] is 4n + 4, where n is the total number of point masses and concentrated springs, the "explicit" mathematical expression for the existing approach becomes lengthily intractable if n > 2. The "numerical assembly method"(NAM) introduced in this paper aims at improving the last drawback of the existing approach. The "exact"solutions in this paper refer to the numerical results obtained from the "continuum" models for the classical analytical approaches rather than from the "discretized" ones for the conventional finite element methods.
This study aims to develop the numerical method to estimate level ice impact load and investigate the dynamic interaction between an arctic Spar with sloped surface and drifting level ice. When the level ice approaches the downward sloped structure, the interaction can be decomposed into three sequential phases: the breaking phase, when ice contacts the structure and is bent by bending moment; the rotating phase, when the broken ice is submerged and rotated underneath the structure; and the sliding phase, when the submerged broken ice becomes parallel to the sloping surface causing buoyancy-induced fictional forces. In each phase, the analytical formulas are constructed to account for the relevant physics and the results are compared to other existing methods or standards. The time-dependent ice load is coupled with hull-riser-mooring coupled dynamic analysis program. Then, the fully coupled program is applied to a moored arctic Spar with sloped surface with drifting level ice. The occurrence of dynamic resonance between ice load and spar motion causing large mooring tension is demonstrated.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.15
no.1
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pp.82-90
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2014
In this paper, the effect of Lorentz force on the stability of attitude orientation of a charged spacecraft moving in an elliptic orbit in the geomagnetic field is considered. Euler equations are used to derive the equations of attitude motion of a charged spacecraft. The equilibrium positions and its stability are investigated separately in the pitch, roll and yaw directions. In each direction, we use the Lorentz force to identify an attitude stabilization parameter. The analytical methods confirm that we can use the Lorentz force as a stabilization method. The charge-to-mass ratio is the main key of control, in addition to the components of the radius vector of the charged center of the spacecraft, relative to the center of mass of the spacecraft. The numerical results determine stable and unstable equilibrium positions. Therefore, in order to generate optimum charge, which may stabilize the attitude motion of a spacecraft, the amount of charge on the surface of spacecraft will need to be monitored for passive control.
A numerical method is presented in this paper, for buckling analysis of thin arbitrary stiffened composite cylindrical shells under axial compression. The stiffeners can be placed inside and outside of the shell. The shell and stiffeners are operated as discrete elements, and their interactions are taking place through the compatibility conditions along their intersecting lines. The governing equations of motion are obtained based on Koiter's theory and solved by utilizing the principle of the minimum potential energy. Then, the buckling load coefficient and the critical buckling load are computed by solving characteristic equations. In this formulation, the elastic and geometric stiffness matrices of a single curved strip of the shell and stiffeners can be located anywhere within the shell element and in any direction are provided. Moreover, five stiffened composite shell specimens are made and tested under axial compression loading. The reliability of the presented method is validated by comparing its numerical results with those of commercial software, experiments, and other published numerical results. In addition, by using the ANSYS code, a 3-D finite element model that takes the exact geometric arrangement and the properties of the stiffeners and the shell into consideration is built. Finally, the effects of Poisson's ratio, shell length-to-radius ratio, shell thickness, cross-sectional area, angle, eccentricity, torsional stiffness, numbers and geometric configuration of stiffeners on the buckling of stiffened composite shells with various end conditions are computed. The results gained can be used as a meaningful benchmark for researchers to validate their analytical and numerical methods.
Wave propagation in a three-dimensional (3D) fully nonlinear numerical wave tank (NWT) is studied based on velocity potential theory. The governing Laplace equation with fully nonlinear boundary conditions on the moving free surface is solved using the indirect desingularized boundary integral equation method (DBIEM). The fourth-order predictor-corrector Adams-Bashforth-Moulton scheme (ABM4) and mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) method are used for the time-stepping integration of the free surface boundary conditions. A smoothing algorithm, B-spline, is applied to eliminate the possible saw-tooth instabilities. The artificial wave speed employed in MTF (multi-transmitting formula) approach is investigated for fully nonlinear wave problem. The numerical results from incorporating the damping zone (DZ), MTF and MTF coupled DZ (MTF+DZ) methods as radiation condition are compared with analytical solution. An effective MTF+DZ method is finally adopted to simulate the 3D linear wave, second-order wave and irregular wave propagation. It is shown that the MTF+DZ method can be used for simulating fully nonlinear wave propagation very efficiently.
In this paper, some crucial performance characteristics related to the operational reliability of the post-fault Pulse Width Modulated (PWM) rectifiers, such as line current harmonic distortion, Common Mode Voltage (CMV), and current stress on the capacitors, are fully investigated. The aforementioned performance characteristics of post-fault rectifiers are highly dependent on the utilized space vector modulation (SVM) schemes, which are also examined. Detailed analyses of the three most commonly used SVM schemes for post-fault PWM rectifiers are provided, revealing the major differences in terms of the zero vector synthesis approaches. To compare the performances of the three SVM schemes, the operating principles of a post-fault rectifier are presented with various SVM schemes. Using analytical and numerical methods in the time domain, the performances of the line current distortion, common mode voltage and capacitor current are evaluated and compared for each SVM scheme. The proposed analysis demonstrates that the zero vector synthesis approaches of the considered methods have significant impacts on the performance characteristics of rectifiers. In addition, the advantages and disadvantages of the proposed SVM schemes are discussed. The experimental results verify the effectiveness and validity of the proposed analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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