Most electrical machines like motor, generator and transformer are symmetric in terms of magnetic field distribution and mechanical structure. In order to analyze these problems effectively, many coupling techniques have been introduced. This paper deals with a coupling scheme for open boundary problem of symmetric and periodic structure. It couples an analytical solution of Fourier series expansion with the standard finite element method. The analytical solution is derived for the magnetic field in the outside of the boundary, and the finite element method is for the magnetic field in the inside with source current and magnetic materials. The main advantage of the proposed method is that it retains sparsity and symmetry of system matrix like the standard FEM and it can also be easily applied to symmetric and periodic problems. Also, unknowns of finite elements at the boundary are coupled with Fourier series coefficients. The boundary conditions are used to derive a coupled system equation expressed in matrix form. The proposed algorithm is validated using a test model of a bush bar for the power supply. And the each result is compared with analytical solution respectively.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.4B
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pp.413-419
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2008
In this study, we develop analytical solutions for long waves propagating over several types of axis-symmetric topographies where the water depth varies in an arbitrary power of radial distance. The first type is a cylindrical island mounted on a shoal. The second type is a circular island. To get the solution, the methods of separation of variables, Taylor series expansion and Frobenius series are used. Developed analytical solutions are validated by comparing with previously developed analytical solutions. We also investigate various cases with different incident wave periods, radii of the shoal, and the powers of radial distance.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers P
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v.55
no.3
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pp.141-145
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2006
The line current problem(2-dimensional space : point source) is not easy to analyze the magnetic field using the standard finite element method(FEM), such as overhead trolley line or transmission line. To supplement such a defect this paper is proposed the coupling scheme of analytical solution and FEM. In analysis of the magnetic field using the standard FEM. If the current region is a relatively small compared to the whole region. Therefore the current region must be finely divided using a large number of elements. And the large number of elements increase the number of unknown variables and the use of computer memories. In this paper, an analytical solution is suggested to supplement this weak points. When source is line current and the part of interest is far from line current, the analytical solution can be coupling with FEM at the boundary. Analytical solution can be described by the multiplication of two functions. One is power function of radius, the other is a trigonometric function of angle in the cylindrical coordinate system. There are integral constants of two types which can be established by fourier series expansion. Also fourier series is represented as the factor to apply the continuity of the magnetic vector potential and magnetic field intensity with tangential component at the boundary. To verify the proposed algorithm, we chose simplified model existing magnetic material in FE region. The results are compared with standard FE solution. And it is good agreed by increasing harmonic order.
An analytical solution has been developed for the impact response of delaminated composite plates. The analysis is based on an expansion of loads, displacements, and rotations in a Fourier series which satisfies the end boundary conditions of simply-supported. The analytical formulation adopts the Laplace transformation technique, requiring a linearization of contact deformation. In this paper, the nonlinear contact stiffness is replaced by a linearized stiffness, to provide an estimate of the additional compliance due to contact area deformation effects. It has been shown that defects such as delaminations may be modeled as spring stiffness. The change in the impact characteristics as this spring stiffness has been investigated theoretically. Predicted impact responses using analytical solution are compared with the numerical ones from the 3-D non-linear finite element model. From the results, it is shown that analytical solution was found to be reliable for predicting the impact response.
In order to provide simple and accurate wave theory in design of offshore structure, an analytical approximation is introduced in this paper. The solution is limited to flat bottom having a constant water depth. Water is considered as inviscid, incompressible and irrotational. The solution satisfies the continuity equation, bottom boundary condition and non-linear kinematic free surface boundary condition exactly. Error for dynamic condition is quite small. The solution is suitable in description of breaking waves. The solution is presented with closed form and dispersion relation is also presented with closed form. In the last century, there have been two main approaches to the nonlinear problems. One of these is perturbation method. Stokes wave and Cnoidal wave are based on the method. The other is numerical method. Dean's stream function theory is based on the method. In this paper, power series method was considered. The power series method can be applied to certain nonlinear differential equations (initial value problems). The series coefficients are specified by a nonlinear recurrence inherited from the differential equation. Because the non-linear wave problem is a boundary value problem, the power series method cannot be applied to the problem in general. But finite number of coefficients is necessary to describe the wave profile, truncated power series is enough. Therefore the power series method can be applied to the problem. In this case, the series coefficients are specified by a set of equations instead of recurrence. By using the set of equations, the nonlinear wave problem has been solved in this paper.
The mechanical structures generally have discontinuous parts such as the cracks, notches and holes owing to various reasons. In this paper, in order to analyze effectively these singularity problems using the finite element method, a mixed analysis method which an analytical solution and finite element solutions are simultaneously used is newly proposed. As the analytical solution is used in the singularity region and the finite element solutions are used in the remaining regions except this singular zone, this analysis method reasonably provides for the numerical solution of a singularity problem. Through various numerical examples, it is shown that the proposed analysis method is very convenient and gives comparatively accurate solution.
Lienard's equations are important nonlinear differential equations with application in many areas of applied mathematics. In the present article, a new approach known as the modified fractional Taylor series method (MFTSM) is proposed to solve the nonlinear fractional Lienard equations with Caputo fractional derivatives, and the convergence of this method is established. Numerical examples are given to verify our theoretical results and to illustrate the accuracy and effectiveness of the method. The results obtained show the reliability and efficiency of the MFTSM, suggesting that it can be used to solve other types of nonlinear fractional differential equations that arise in modeling different physical problems.
This paper presents the development of a new analytical solution to the governing differential equation for isotropic annular sector plates subjected to uniform loading in a three-dimensional polar coordinate system. The 4th order governing partial differential equation (PDE) was converted to an ordinary differential equation (ODE) by assuming the Levy-type series solution form and the subsequent mathematical operations. Finally, a series-type solution was assembled with homogeneous and nonhomogeneous solution parts after operating real values and complex conjugates derived from the characteristic equation. To demonstrate the convergence rate and the accuracy of the featured method, several examples with various sector angles were selected and solved. The deflections and internal moments in the example annular sector plates that were obtained from the proposed solution were compared with those obtained from other analytical studies and numerical analyses using the finite element analysis package program, ABAQUS. Very good agreement with the results of other analytical and numerical methodologies was shown.
This paper presents analytical approximate solutions for the initial post-buckling deformation of the pipes in oil and gas wells. The governing differential equation with sinusoidal nonlinearity can be reduced to form a third-order-polynomial nonlinear equation, by coupling of the well-known Maclaurin series expansion and orthogonal Chebyshev polynomials. Analytical approximations to the resulting boundary condition problem are established by combining the Newton's method with the method of harmonic balance. The linearization is performed prior to proceeding with harmonic balancing thus resulting in a set of linear algebraic equations instead of one of non-linear algebraic equations, unlike the classical method of harmonic balance. We are hence able to establish analytical approximate solutions. The approximate formulae for load along axis, and periodic solution are established for derivative of the helix angle at the end of the pipe. Illustrative examples are selected and compared to "reference" solution obtained by the shooting method to substantiate the accuracy and correctness of the approximate analytical approach.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.8
no.1
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pp.133-138
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2008
To analyze incident waves traveling from the deep ocean is very important in that it is based on resolving problems occurred in coastal areas. In general, numerical models and analytical solutions are used to analyze wave transformation. Although a numerical model can be applied to various bottoms and wave conditions, it may have some cumbersome numerical errors. On the other hand, an analytical solution has an advantage of obtaining the solution quickly and accurately without numerical errors. The analytical solution can, however, be utilized only for specific conditions. In this study, the analytical solution of the mild-slope equation has been developed. It can be applied to various conditions combing a numerical technique and an analytical approach while minimizing the numerical errors. As a result of comparing the obtained solutions in this study with those of the previously developed numerical model, A good agreement was observed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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