By presetting various reinforcement diameters in topology optimization with the discrete model finite element analysis, an algorithm of bidirectional evolutionary structural optimization of multi-level reinforcement diameter is presented to obtain the optimal reinforcement topologies which describe the degree of stress of different parts. The results of a comparative study on different reinforcement feasible domain demonstrate that the more angle types of reinforcement are arranged in the initial domain, the higher utilization rate of reinforcement of the optimal topology becomes. According to the nonlinear finite element analysis of some deep beam examples, the ones designed with the optimization results have a certain advantage in ultimate bearing capacity, although their failure modes are greatly affected by the reinforcement feasible domain. Furthermore, the bearing capacity can be improved when constructional reinforcements are added in the subsequent design. However the adding would change the relative magnitude of the bearing capacity between the normal and inclined section, or the relative magnitude between the flexural and shear capacity within the inclined section, which affects the failure modes of components. Meanwhile, the adding would reduce the deformation capacity of the components as well. It is suggested that the inclined reinforcement and the constructional reinforcement should be added properly to ensure a desired ductile failure mode for components.
Ananthi, G. Beulah Gnana;Roy, Krishanu;Lim, James B.P.
Steel and Composite Structures
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v.31
no.6
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pp.601-615
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2019
In cold-formed steel (CFS) structures, such as trusses, wall frames and columns, the use of back-to-back built-up CFS angle sections are becoming increasingly popular. In such an arrangement, intermediate fasteners are required at discrete points along the length, preventing the angle-sections from buckling independently. Limited research is available in the literature on the axial strength of back-to-back built-up CFS angle sections. The issue is addressed herein. This paper presents the results of 16 experimental tests, conducted on back-to-back built-up CFS screw fastened angle sections under axial compression. A nonlinear finite element model is then described, which includes material non-linearity, geometric imperfections and explicit modelling of the intermediate fasteners. The finite element model was validated against the experimental test results. The validated finite element model was then used for the purpose of a parametric study comprising 66 models. The effect of fastener spacing on axial strength was investigated. Four different cross-sections and two different thicknesses were analyzed in the parametric study, varying the slenderness ratio of the built-up columns from 20 to 120. Axial strengths obtained from the experimental tests and finite element analysis were used to assess the performance of the current design guidelines as per the Direct Strength Method (DSM); obtained comparison showed that the DSM is over-conservative by 13% on average. This paper has therefore proposed improved design rules for the DSM and verified their accuracy against the finite element and test results of back-to-back built-up CFS angle sections under axial compression.
Abdelhak Mesbah;Zakaria Belabed;Khaled Amara;Abdelouahed Tounsi;Abdelmoumen A. Bousahla;Fouad Bourada
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.3
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pp.291-309
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2023
This paper addresses the finite element modeling of functionally graded porous (FGP) beams for free vibration and buckling behaviour cases. The formulated finite element is based on simple and efficient higher order shear deformation theory. The key feature of this formulation is that it deals with Euler-Bernoulli beam theory with only three unknowns without requiring any shear correction factor. In fact, the presented two-noded beam element has three degrees of freedom per node, and the discrete model guarantees the interelement continuity by using both C0 and C1 continuities for the displacement field and its first derivative shape functions, respectively. The weak form of the governing equations is obtained from the Hamilton principle of FGP beams to generate the elementary stiffness, geometric, and mass matrices. By deploying the isoparametric coordinate system, the derived elementary matrices are computed using the Gauss quadrature rule. To overcome the shear-locking phenomenon, the reduced integration technique is used for the shear strain energy. Furthermore, the effect of porosity distribution patterns on the free vibration and buckling behaviours of porous functionally graded beams in various parameters is investigated. The obtained results extend and improve those predicted previously by alternative existing theories, in which significant parameters such as material distribution, geometrical configuration, boundary conditions, and porosity distributions are considered and discussed in detailed numerical comparisons. Determining the impacts of these parameters on natural frequencies and critical buckling loads play an essential role in the manufacturing process of such materials and their related mechanical modeling in aerospace, nuclear, civil, and other structures.
This paper presents a method for detecting damage in irregular 2D and 3D continuum structures based on combination of wavelet transform (WT) with fuzzy inference system (FIS) and particle swarm optimization (PSO). Many damage detection methods study regular structures. This method studies irregular structures and doesn't need response of healthy structures. First the damaged structure is analyzed with finite element methods, and damage response is obtained at the finite element points that have irregular distance, secondly the FIS, which is optimized by PSO is used to obtain responses at points, having equal distance by response at those points that previously obtained by the finite element methods. Then a 2D (for 2D continuum structures) or a 3D (for 3D continuum structures) matrix is performed by equal distance point response. Thirdly, by applying 2D or 3D wavelet transform on 2D or 3D matrix that previously obtained by FIS detail matrix coefficient of WT is obtained. It is shown that detail matrix coefficient can determine the damage zone of the structure by perturbation in the damaged area. In order to illustrate the capability of proposed method some examples are considered.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.04a
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pp.154-157
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2000
Distributed piezoelectric sensor and actuator system has been designed for the active vibration control of shell structure. PVDF is used for the materials of sensor/actuator. To prevent the adverse effect of spillover, distributed modal sensor/actuator system is established. Although shell structure is three-dimensional structure, the PVDF sensor/actuator system can be treated as two-dimensional Finite element programs are developed to consider curved structures having PVDF modal sensor/actuator. The nine-node Mindlin shell element with five nodal degree of freedoms is used for finite element discretization. The electrode patterns and lamination angle of PVDF sensor/actuator are optimized to design the modal sensor/actuator system Genetic algorithm is used for optimization. Sensor is designed to minimize the observation spillover, and actuator is designed to minimize the system energy of the control modes under a given initial condition. Modal sensor/actuator for the first and second modes of singly curved cantilevered shell structure are designed using mentioned methods. Discrete LQG method is used as a control law. Experimental demonstrations of the active vibration control with designed sensor/actuator system have been performed successfully.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.6
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pp.1365-1381
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1990
A $C^{0}$ continuous displacement finite element method based on a higher-order shear deformation theory is employed in the prediction of the transient response of laminated composite plates subjected to low-velocity impact. A modified contact law was applied to calculate the contact force during impact. The discrete element chosen is a nine-noded quadrilateral with 5 degree-of-freedom per node. The Wilson-.theta. time integration algorithm is used for solving the time dependent equations of the impactor and the central difference method was adopted to perform time integration of the plate. Numerical results, including the contact force history, deflection, and velocity history, are presented. Comparisons of numerical results using a higher order theory and a first-order theory show that using a higher order theory provides more accurate results. Effects of boundary condition, impact velocity, and mass of the impactors are also discussed.d.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2004.10a
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pp.75-78
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2004
A mesh generation algorithm adapted to the mesh density map using the Delaunay mesh generation technique is developed. In the finite element analyses of the forging processes, the numerical error increases as the process goes on because of discrete property of the finite elements or severe distortion of elements. Especially, in the region where stresses and strains are concentrated, the numerical discretization error will be highly increased. However, it is too time consuming to use a uniformly fine mesh in the whole domain to reduce the expected numerical error. Therefore, it is necessary to construct locally refined mesh at the region where the error is concentrated such as at the die corner. In this study, the point insertion algorithm is used and the mesh size is controlled by moving nodes to optimized positions according to a mesh density map constructed with a posteriori error estimation. An optimization technique is adopted to obtain a good position of nodes. And optimized smoothing techniques are also adopted to have smooth distribution of the mesh and improve the mesh element quality.
Degradation of reinforced concrete (RC) structures due to chloride penetration followed by reinforcement corrosion has been a serious problem in civil engineering for many years. The numerical simulation methods at present are mainly finite element method (FEM) and finite difference method (FDM), which are based on mesh. Mesh generation in engineering takes a long time. In the present article, the numerical solution of chloride transport in concrete is analyzed using radial point interpolation method (RPIM) and element-free Galerkin (EFG). They are all meshless methods. RPIM utilizes radial polynomial basis, whereas EFG uses the moving least-square approximation. A Galerkin weak form on global is used to attain the discrete equation, and four different numerical examples are presented. MQ function and appropriate parameters have been proposed in RPIM. Numerical simulation results are compared with those obtained from the finite element method (FEM) and analytical solutions. Two case of chloride transport in full saturated and unsaturated concrete are analyzed to test the practical applicability and performance of the RPIM and EFG. A good agreement is obtained among RPIM, EFG, and the experimental data. It indicates that RPIM and EFG are reliable meshless methods for prediction of chloride concentration in concrete structures.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.40
no.6
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pp.12-19
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2003
Corrugated bulkheads for a bulk carrier are divided into watertight bulkheads and deep tank bulkheads. Design of the watertight bulkheads is principally determined by the permissible limit of Classification and IACS requirements. But, the verification of strength through finite element analysis is indispensable for design of the deep tank bulkheads. A stage for stress evaluation of corrugated part is required for optimum structural design of the deep tank bulkheads. Since the finite element analysis for real model requires excessive amount of calculation time, in this study one corrugated structure is replaced with beam element and is idealized as 2 dimensional frame structure connected to upper and lower stool Minimum weight design of the deep tank bulkheads is performed through generalized sloped deflection method(GSDM) as direct calculation method. The purpose of this study is the development of design system for the minimization of steel weight of deep tank bulkheads as well as watertight bulkheads. Discrete variables are used as design variables for the practical design. Evolution strategies(ES) is used as an optimization technique.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.11a
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pp.228-231
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2000
The active vibration control of laminated composite shell has been performed with the optimized sensor/actuator system. PVDF film is used fur the material of sensor/actuator. Finite element method is utilized to model the whole structure including the piezoelectric sensor/actuator system, The distributed selective modal sensor/actuator system is established to prevent the adverse effect of spillover. In the finite element discretization process, the nine-node shell element with five nodal degrees of freedoms is used. Electrode patterns and lamination angles of sensor/actuator are optimized using genetic algorithm. Sensor is designed to minimize the observation spillover, and actuator is designed to minimize the system energy of the control modes under a given initial condition. Modal sensor/actuator profiles are optimized for the first and the second modes suppression of singly curved cantilevered composite shell structure. Discrete LQG method is used as a control law. The real time vibration control with profile optimized sensor/actuator system has been performed. Experimental result shows successful performance of the integrated structure for the active vibration control.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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