Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.4
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pp.643-652
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1989
The purpose of this research is to analyze the impact behavior of beam-like laminates due to the transverse impact of a steel ball according to the changes of stacking sequence and aspect ratio. For this purpose, it is carried out the dynamic finite element analyses using the modified beam theory for laminates and the first order shear deformation plate theory. The results of these analyses are compared with those of experimental impact tests. The composite materials are composed of [0.deg./45.deg./0.deg./-45.deg./0.deg.]$_{2S}$ and [90.deg./45.deg./90.deg./-45.deg./90.deg.]$_{2S}$ stacking sequences and have 4.5 t * 5(10, 20 & 30)w * 200(300)l(mm)dimensions. In all analyses, the specimens are clamped at both ends.cimens are clamped at both ends.
Based on the composite finite element simulation and a series of hydrostatic pressure and burst tests, autofrettage effects on strength and deformation of fiber reinforced pressure vessel with metallic liners have been studied in the paper (autofrettage: during the course of one pressure taking effect, the increasing internal stress in metallic liner can surpass the yielding point and the plastic deformation will happen, which result in that when there is no internal pressure, there are press stress in liner while tensile stress in fiber lamination). By making use of a composite finite element Ansys code and a series of experiments, the autofrettage pressure is determined in order to make the aluminium liner be totally in elastic state, under given hydrostatic test pressure. The stress intensity factors of the longitudinal crack in aluminum liner end under internal pressure and thermal loads have been computed and analyzed before and after the autofrettage processing. Through numerical calculation and experiment investigations, it is found that a correct choice for autofrettage pressure can improve the gas-tightness and fatigue strength of FRP vessel.
This work presents a practical detailed finite element (FE) approach for the three-dimensional (3D) free-vibration analysis of actual aircraft and spacecraft-type lightweight and thin honeycomb sandwich panels. It consists of calling successively in $MATLAB^{(R)}$, via a developed user-friendly GUI, a detailed 3D meshing tool, a macrocommands language translator and a commercial FE solver($ABAQUS^{(R)}$ or $ANSYS^{(R)}$). In contrary to the common practice of meshing finely the faces and core cells, the proposed meshing tool represents each wall of the actual hexagonal core cells as a single two-dimensional (2D) 4 nodes quadrangularshell element or two 3 nodes triangular ones, while the faces meshes are obtained simply using the nodes at the core-faces interfaces. Moreover, as the same 2D FE interpolation type is used for meshing the core and faces, this leads to an automatic handling of their required FE compatibility relations. This proposed approach is applied to a sample made of very thin glass fiber reinforced polymer woven composite faces and a thin aluminum alloy hexagonal honeycomb core. The unknown or incomplete geometric and materials properties are first collected through direct measurements, reverse engineering techniques and experimental-FE modal analysis-based inverse identification. Then, the free-vibrations of the actual honeycomb sandwich panel are analyzed experimentally under different boundary conditions and numerically using different mesh basic cell shapes. It is found that this approach is accurate for the first few modes used for pre-design purpose.
Optimizing composite structures to exploit their maximum potential is a realistic application with promising returns. In this research, simultaneous maximization of the fundamental frequency and frequency separation between the first two modes by optimizing the fiber angles is considered. A high-fidelity design optimization methodology is developed by combining the high-accuracy of finite element method with iterative improvement capability of metaheuristic algorithms. Three powerful nature-inspired optimization algorithms viz. a genetic algorithm (GA), a particle swarm optimization (PSO) variant and a cuckoo search (CS) variant are used. Advanced memetic features are incorporated in the PSO and CS to form their respective variants-RPSOLC (repulsive particle swarm optimization with local search and chaotic perturbation) and CHP (co-evolutionary host-parasite). A comprehensive set of benchmark solutions on several new problems are reported. Statistical tests and comprehensive assessment of the predicted results show CHP comprehensively outperforms RPSOLC and GA, while RPSOLC has a little superiority over GA. Extensive simulations show that the on repeated trials of the same experiment, CHP has very low variability. About 50% fewer variations are seen in RPSOLC as compared to GA on repeated trials.
Despite the rapid advancement in computing resources, many real-life design and optimization problems in structural engineering involve huge computation costs. To counter such challenges, approximate models are often used as surrogates for the highly accurate but time intensive finite element models. In this paper, surrogates for first-order shear deformation based finite element models are built using a polynomial regression approach. Using statistical techniques like Box-Cox transformation and ANOVA, the effectiveness of the surrogates is enhanced. The accuracy of the surrogate models is evaluated using statistical metrics like $R^2$, $R^2{_{adj}}$, $R^2{_{pred}}$ and $Q^2{_{F3}}$. By combining these surrogates with nature-inspired multi-criteria decision-making algorithms, namely multi-objective genetic algorithm (MOGA) and multi-objective particle swarm optimization (MOPSO), the optimal combination of various design variables to simultaneously maximize fundamental frequency and frequency separation is predicted. It is seen that the proposed approach is simple, effective and good at inexpensively producing a host of optimal solutions.
Baldassarre, Alessandro;Ceruti, Alessandro;Valyou, Daniel N.;Marzocca, Pier
Wind and Structures
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v.28
no.5
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pp.271-284
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2019
This paper describes the application of a novel virtual prototyping methodology to wind turbine blade design. Numeric modelling data and experimental data about turbine blade geometry and structural/dynamical behaviour are combined to obtain an affordable digital twin model useful in reducing the undesirable uncertainties during the entire turbine lifecycle. Moreover, this model can be used to track and predict blade structural changes, due for example to structural damage, and to assess its remaining life. A new interactive and recursive process is proposed. It includes CAD geometry generation and finite element analyses, combined with experimental data gathered from the structural testing of a new generation wind turbine blade. The goal of the research is to show how the unique features of a complex wind turbine blade are considered in the virtual model updating process, fully exploiting the computational capabilities available to the designer in modern engineering. A composite Sandia National Laboratories Blade System Design Study (BSDS) turbine blade is used to exemplify the proposed process. Static, modal and fatigue experimental testing are conducted at Clarkson University Blade Test Facility. A digital model was created and updated to conform to all the information available from experimental testing. When an updated virtual digital model is available the performance of the blade during operation can be assessed with higher confidence.
The current article deals with the dynamic stability, and structural improvement of vibrating electrically curved screen on the viscoelastic substrate. By considering optimum value for radius curvature of the electrically curved screen, the structure improvement of the system occurs. For modeling the electrically system, the Maxwell's' equation is developed. Hertz contact model in employed to obtain contact forces between impactor and structure. Moreover, variational methods and nonlinear von Kármán model are used to derive boundary conditions (BCs) and nonlinear governing equations of the vibrating electrically curved screen. Galerkin and Multiple scales solution approach are coupled to solve the nonlinear set of governing equations of the vibrating electrically curved screen. Along with the analytical solution, 3D finite element simulation via ABAQUS package is provided with the aid of a FE package for simulating the current system's response. The results are categorized in 3 different sections. First, effects of geometrical and material parameters on the vibrational performance and stability of the curves panel. Second, physical properties of the impactor are taken in to account and their effect on the absorbed energy and velocity profile of the impactor are presented. Finally, effect of the radius and initial velocity on the mode shapes of the current structure is demonstrated.
Natural frequency behavior of graphene platelets reinforced composite (GPL-RC) joined truncated conical-cylindrical- conical shells resting on Winkler-type elastic foundation is presented in this paper for the first time. The rule of mixture and the modified Halpin-Tsai approach are applied to achieve the mechanical properties of the structure. Four different graphene platelets patterns are considered along the thickness of the structure such as GPLA, GPLO, GPLX, GPLUD. Finite element procedure according to Rayleigh-Ritz formulation has been used to solve 2D-axisymmetric elasticity equations. Application of 2D axisymmetric elasticity theory allows thickness stretching unlike simple shell theories, and this gives more accurate results, especially for thick shells. An efficient parametric investigation is also presented to show the effects of various geometric variables, three different boundary conditions, stiffness of elastic foundation, dispersion pattern and weight fraction of GPLs nanofillers on the natural frequencies of the joined shell. Results show that GPLO and BC3 provide the most rigidity that cause the most natural frequencies among different BCs and GPL patterns. Also, by increasing the weigh fraction of nanofillers, the natural frequencies will increase up to 200%.
Kong, Chang-Duk;Lee, Kyung-Sun;Park, Hyun-Bum;Choi, Won
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.16
no.3
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pp.57-68
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2012
In this study, designs of the high efficiency composite propeller blade for a high speed turboprop aircraft, which will be used for a next generation regional commercial aircraft in Korea, are performed. Both the vortex theory and the blade element theory are used for preliminary aerodynamic design and performance analysis of the propeller. Then the aerodynamic design result is confirmed through performance analysis using a commercial CFD code, ANSYS. The carbon/epoxy composite materials is used, and the skin-spar-foam sandwich type structure is adopted for improvement of lightness and structural stability. Finally, it is investigated that the proposed propeller blade has high efficiency and structural safety through both aerodynamic and structural analysis and experimental test of a prototype propeller blade.
This research work aims to develop an optimal design using Finite Element (FE) and Genetic Algorithm (GA) methods to replace the traditional concrete and timber material by a Synthetic Polyurethane fibre glass composite material in railway sleepers. The conventional timber railway sleeper technology is associated with several technical problems related to its durability and ability to resist cutting and abrading action of the bearing plate. The use of pre-stress concrete sleeper in railway industry has many disadvantages related to the concrete material behaviour to resist dynamic stress that may lead to a significant mechanical damage with feasible fissures and cracks. Scientific researchers have recently developed a new composite material such as Glass Fibre Reinforced Polyurethane (GFRP) foam to replace the conventional one. The mechanical properties of these materials are reliable enough to help solving structural problems such as durability, light weight, long life span (50-60 years), less water absorption, provide electric insulation, excellent resistance of fatigue and ability to recycle. This paper suggests appropriate sleeper design to reduce the volume of the material. The design optimization shows that the sleeper length is more sensitive to the loading type than the other parameters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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