KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.1
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pp.39-46
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1993
The need to develop method which can improve the shape design efficiency using high quality approximation is being brought up. In this study, to perform shape optimal design of three-dimensional continuum structures an efficient approximation method for stress constraints is proposed, based on expanding the nodal forces in Taylor series with respect to shape variables. Numerical examples are performed using the 3-D cantilever beam and fixed-fixed beam and compared with other method to demonstrate the efficiency and convergence rate of the Force Approximation method. It is shown that by taking advantage of this high quality approximation, the total number of finite element analysis required for shape optimization of 3-D continuum structures can be reduced significantly, resulting to the same level of efficiency achieved previously in sizing optimization problems. Also, shape representation by super curve technique applied to obtain optimal shape finds useful method.
The present paper is aimed to evaluate and compare the effective elastic properties of CNT- and graphene-based nanocomposites using 3-D nanoscale representative volume element (RVE) based on continuum mechanics using finite element method (FEM). Different periodic displacement boundary conditions are applied to the FEM model of the RVE to evaluate various elastic constants. The effects of the matrix material, the volume fraction and the length of reinforcements on the elastic properties are also studied. Results predicted are validated with the analytical and/or semiempirical results and the available results in the literature. Although all elastic stiffness properties of CNT- and graphene-based nanocomposites are found to be improved compared to the matrix material, but out-of-plane and in-plane stiffness properties are better improved in CNT- and graphene-based nanocomposites, respectively. It is also concluded that long nanofillers (graphene as well as CNT) are more effective in increasing the normal elastic moduli of the resulting nanocomposites as compared to the short length, but the values of shear moduli, except $G_{23}$ of CNT nanocomposite, of nanocomposites are slightly improved in the case of short length nanofillers (i.e., CNT and graphene).
It is important to maintain cladding integrity in spent nuclear fuel management. This study proposes a numerical analysis method to evaluate the fracture resistance of irradiated zirconium alloy cladding under pinch load known to cause Mode-III failure. The mechanical behavior and fracture of the cladding under pinch loading can be evaluated by a Ring Compression Test (RCT). To simulate the fracture of hydride precipitates, zirconium matrix, and Zr/hydride interfaces under the stress field generated by RCT, a micro-structure crack propagation simulation method based on Continuum Damage Mechanics (CDM) has been proposed. Our RCT simulation model was constructed from microscopic images of irradiated cladding. In this study, we developed an automated process to generate a pixel-based finite element model by separating the hydride precipitates, zirconium matrix, and interfaces using an image segmentation method. The appropriate element size was selected to ensure the efficiency and accuracy of a crack propagation simulation. The load-displacement curves and strain energies from RCT were compared and analyzed with the simulation results of different element sizes. The finalized RCT simulation model can be used to establish the failure criterion of fuel rods under pinch loading. The advantages and limitations of the proposed method are fully discussed here.
The study deals with physical modeling of a typical three storeyed building frame supported by a pile group of four piles ($2{\times}2$) embedded in cohesive soil mass using three dimensional finite element analysis. For the purpose of modeling, the elements such as beams, slabs and columns, of the superstructure frame; and that of the pile foundation such as pile and pile cap are descretized using twenty noded isoparametric continuum elements. The interface between the pile and the soil is idealized using sixteen node isoparametric surface element. The soil elements are modeled using eight nodes, nine nodes and twelve node continuum elements. The present study considers the linear elastic behaviour of the elements of superstructure and substructure (i.e., foundation). The soil is assumed to behave non-linear. The parametric study is carried out for studying the effect of soil- structure interaction on response of the frame on the premise of sub-structure approach. The frame is analyzed initially without considering the effect of the foundation (non-interaction analysis) and then, the pile foundation is evaluated independently to obtain the equivalent stiffness; and these values are used in the interaction analysis. The spacing between the piles in a group is varied to evaluate its effect on the interactive behaviour of frame in the context of two embedment depth ratios. The response of the frame included the horizontal displacement at the level of each storey, shear force in beams, axial force in columns along with the bending moments in beams and columns. The effect of the soil- structure interaction is observed to be significant for the configuration of the pile groups and in the context of non-linear behaviour of soil.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.3
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pp.339-345
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2007
In this paper, a variational formulation for plane elasticity problems is derived based on an isogeometric approach. The isogeometric analysis is an emerging methodology such that the basis functions for response analysis are generated directly from NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) geometry. Furthermore, the solution space for the response analysis can be represented in terms of the same functions to represent the geometry, which enables to provide a precise construction method of finite element model to exactly represent geometry using B-spline base functions in CAD geometric modeling and analyze arbitrarily shaped structures without re-meshing. In this paper, a continuum-based adjoint sensitivity analysis method using the isogeometric approach is extensively derived for the plane elasticity problems. The conventional shape optimization using the finite element method has some difficulties in the parameterization of geometry In the isogeometric analysis, however, the geometric properties are already embedded in the B-spline basis functions and control points so that it has potential capability to overcome the aforementioned difficulties. Through some numerical examples, the developed isogeometric sensitivity analysis method is verified to show excellent agreement with finite difference sensitivity.
Proceedings of the Korea Institute of Applied Superconductivity and Cryogenics Conference
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2002.02a
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pp.274-276
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2002
To enhance the critical current of superconducting coil, the magnetic field experienced by superconductors in a coil should be minimized. This is true for both low $T_{c}$ and high $T_{c}$ superconductors, and the difference between the two lays in their isotropic/an-isotropic characteristics. In this paper, we propose a shape optimization algorithm to reduce radial magnetic field components in HTS solenoid to enhance the critical current of a solenoid. In the algorithm, finite element method and continuum shape design sensitivity formula were employed. The objective function is to minimize the maximum radial magnetic fields in a solenoid with a constraint of constant solenoid volume condition. In this paper, the details on algorithm are introduced and the calculated optimized shapes are presented.
횡방향철근에 의하여 적절히 구속된 콘크리트 기둥은 강도증가 및 연성의 확보면에서 유리하다. 본 연구의 목적은 횡방향철근에 의하여 구속된 코아콘크리트의 크기,횡방향철근의 간격비 및 체적철근비 등의 변화에 따른 콘크리트 기둥의 극한강도를 포함한 최대하중 이전의 거동 및 최대하중 이후의 거동을 실험적, 해석적으로 고찰함으로써 콘크리트 기둥의 구속효과정도를 규명하려는데 있다. 본 연구에서는 횡구속된 콘크리트 기둥모형의 압축재하실험을 수행하였으며, 최대하중 이전의 거동에 대하여 연속체적 파괴와 소성을 고려한 3차원 모델링을 통한유한요소해석을 실시하였다. 또한 횡구속된 콘크리트 기둥의 변형률국소화 모델에 의한 파괴해석을 통하여 구속된 콘크리트 기둥의 최대하중 이후의 거동을 재현하였다. 해석결과는 압축재하실험의 결과와 비교, 분석되었으며, 이에 따른 구속효과를 규명하였다.
Proceedings of the Korean Society of Machine Tool Engineers Conference
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1997.10a
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pp.132-139
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1997
The strengthening mechanism of short fiber or whisker reinforced metal matrix composites has been studied by a continuum mechanics treatment utilizing finite element analysis (FEM). To assess the tensile and compressive constitutive responses, a constraint-unconstraint comparative study based on stree-strain hysteresis loop has been performed. For analysis procedures, the aligned axisymmetric single fiber model and the stress grouping technique have been implemented to evaluate the domain-based field quantities. Results indicated that the development of significant triaxial stresses within the matrix both for the tensile and compressive loading, due to the constraint imposed by reinforcements, provides and important contribution to strengthening. It was also found that fiber stresses are not only sensitive to the fiber/fiber interaction effects but also substantially contribute to the composite strengthening both for the tensile and compressive loading.
This paper proposes a real-time simulation technique for thin shells undergoing large deformation. Thin shells are almost two-dimensional structures visually well approximated as surfaces, such as leaves, paper sheets, hats, aluminum cans. Unfortunately accurate simulation of these structures requires one of the most complex formulations in continuum mechanics, shell theory [4]. Moreover, there has not yet been any work reported to produce visually convincing animation of them while achieving real-time performance. Motivated by discrete shells [5] and modal warping [3], we formulate dynamics of thin shells using mass-spring models instead of finite element models, and then apply the modal warping technique to cope with large rotational deformation of thin shells. Experiments show that the proposed technique runs in real-time, and that it can simulate large bending and/or twisting deformations with acceptable realism.
In this paper, a hybrid boundary element technique is implemented to analyze nonlinear transient pile soil interaction in Gibson type nonhomeogenous soil. Inelastic modeling of soil media is presented by introducing a rational approximation to the continuum with nonlinear interface springs along the piles. Modified $\ddot{O}$zdemir's nonlinear model is implemented and systems of equations are coupled at interfaces for piles and pile groups. Linear beam column finite elements are used to model the piles and the resulting governing equations are solved using an implicit integration scheme. By enforcing displacement equilibrium conditions at each time step, a system of equations is generated which yields the solution. A numerical example is performed to investigate the effects of nonlinearity on the pile soil interaction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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