A material cloud method, which is a new topology optimization method, is presented. In MCM, an optimal structure can be found out by manipulating sizes and positions of material clouds, which are lumps of material with specified properties. A numerical analysis for a specific distribution of material clouds is carried out using fixed background finite element mesh. Optimal material distribution can be element-wisely extracted from material clouds' distribution. In MCM, an expansion-reduction procedure of design domain for finding out better optimal solution can be naturally realized. Also the convergence of material distribution is faster and well-defined material distribution with fewer intermediate densities can be obtained. In addition, the control of minimum-member sizes in the material distribution can be realized to some extent. In this paper, basic concept of MCM is introduced, and formulation and optimization results of MCM are compared with those of the traditional density distribution method(DDM).
Uluko, H.;Mailutha, J.T.;Kanali, C.L.;Shitanda, D.;Murase, H
Agricultural and Biosystems Engineering
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제7권1호
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pp.1-7
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2006
A need exists to monitor and control the localized high temperatures often experienced in solar grain dryers, which result in grain cracking, reduced germination and loss of cooking quality. A verified finite element model would be a useful to monitor and control the drying process. This study examined the feasibility of the finite element method (FEM) to predict temperature distribution in solar grain dryers. To achieve this, an indirect solar grain dryer system was developed. It consisted of a solar collector, plenum and drying chambers, and an electric fan. The system was used to acquire the necessary input and output data for the finite element model. The input data comprised ambient and plenum chamber temperatures, prevailing wind velocities, thermal conductivities of air, grain and dryer wall, and node locations in the xy-plane. The outputs were temperature at the different nodes, and these were compared with measured values. The ${\pm}5%$ residual error interval employed in the analysis yielded an overall prediction performance level of 83.3% for temperature distribution in the dryer. Satisfactory prediction levels were also attained for the lateral (61.5-96.2%) and vertical (73.1-92.3%) directions of grain drying. These results demonstrate that it is feasible to use a two-dimensional (2-D) finite element model to predict temperature distribution in a grain solar dryer. Consequently, the method offers considerable advantage over experimental approaches as it reduces time requirements and the need for expensive measuring equipment, and it also yields relatively accurate results.
The purpose of this study is to show pressure distribution of the bearing girder in large vessel engine and to consider finite elements analysis using the pressure distribution. Various kinds of the exciting forces act on a bearing girder. And at the same time, it is necessary to consider the contact between a crankshaft and a bearing girder because a bearing girder supports a crankshaft. However it is to need the computer resource with much time if we apply the contact element to a complex solid model and perform a repeated analysis. Thus we have accomplished a contact analysis in the simplistic finite element model of the bearing girder. After that we take a pressure distribution, and apply this to actual finite element model and accomplish finite element analysis. The result of stresses and strains has been produced using superposition method. The concept of superposition method is to find the resultant deflection of several loads acting on a member as the sum of contributions of individual loads. The results were compared with measured results and were verified to be accurate. Resulting analyzed strain favorably coincides with measured strain. The experiment result justifies this paper method.
An adaptive procedure in finite element analysis is presented by p-refinement of meshes in conjunction with a posteriori error estimator that is based on the recovery technique. In case of the recovery technique, the SPR(superconvergent patch recovery) approach has been modified for p-adaptive mesh refinement. The strategy of finding a nearly optimal distribution of polynomial degrees on a fixed finite element mesh is discussed such that a particular element has to be refined automatically to obtain an acceptable level of accuracy by increasing p-levels non-uniformly. To verify the proposed algorithm, the limit value approach is proposed which utilizes the exact strain energy computed from the extrapolation equation. A new pre-processor is developed for the p-version finite element program in which the vector graphic editor is used for the automatic generation of node connection and coordinate by halfedge solid data structure according to uniform or nonuniform p-distribution. The general 2-D algorithm is also developed to generate face modes and internal modes in accordance with different mesh types. The quality of the error estimator is investigated with the help of two mumerical examples. The results show that the sequences of p-distributions obtained by the proposed error indicator closely follow the optimal trajectory.
A numerical study of fluid flow in driven cavity was carried out using singular finite element method. The driven cavity problem is known to have infinite velocity gradients as well as dual velocity conditions at the singular points. To overcome such difficulties, a finite element method with singular shape functions was used and a special technique was employed to allow multiple values of velocities at the singular points. Application of singular elements in the driven cavity problem has a significant influence on the stability of solution. It was found the singular elements gave a stable solution, especially, for the pressure distribution of the entire flow field by keeping up a large pressure at the singular points. In the existing solutions of driven cavity problem, most efforts were focused on the study of streamlines and vorticities, and pressure were seldom mentioned. In this study, however, more attention was given to the pressure distribution. Computations showed that pressure decreased very rapidly as the distance from the singular point increased. Also, the pressure distribution along the vertical walls showed a smoother transition with singular elements compared to those of conventional method. At the singular point toward the flow direction showed more pressure increase compared with the other side as Reynolds number increased.
Water Distribution Network (WDN) is a critical infrastructure to be maintained ensuring proper water supply to wide-spread consumers. The WDN consists of pipes, valves, pumps and tanks, and these elements interact each other to provide adequate system performance. If elements fail by internal or external interruptions, it may result in adverse impact to water service with different degree depending on the failed element. To determine an appropriate maintenance priority, the critical elements need to be identified and mapped in the network. In order to identify and prioritize the critical elements in WDN, an element-based simulation approach is proposed, in which all the elements composing the WDN are reviewed one at a time. The element-based criticality is measured using several resilience indexes that are newly developed in this study. The proposed resilience indexes are used to quantify the impacts of element failure to water service degradation. Here, three resilience indexes are developed, such as User Demand Severity, Economic Value Loss and Water Age Degradation, each of which intends to measure different aspects of consequences, such as social, economic, and water quality, respectively. For demonstration, the proposed approach is applied to a benchmark water network to identify and prioritize the critical elements.
This paper is concerned with forming of Al-Zn-Mg-Sc aluminum alloy bolts, focusing on the effects of heat treatment and age-hardening on the formability and ductile damage evolution. Both experimental and finite element studies were performed. From the experiments, it is observed that the heat treatment or the normalization of Al-Zn-Mg-Sc aluminum alloy increases its formability dramatically resulting in successful bolt forming, while the effects of age-hardening at room temperature on the stress-strain relationship and formability are not very critical. Deformation characteristics such as distribution of effective stress and strain, material flow, and ductile damage evolution during bolt forming are examined using a commercial finite element package, Deform-2D. It should be noted that the extrusion load predicted by the finite element method matches well the experiment results. The finite element predictions on the deformation characteristics support the experimental observations such as fracture of bolt head flange, material flow, and distribution of hardness.
The structural methodology in designing a transmission tower have been performed to assume a simple truss behavior. But there're quite differences between a simple truss behavior and a real one. A suitable explanation for a structural stability can be expressed as a semi-rigid connection instead of the assumed hinged connection. This study proposes an alternative structural analysis modelling strategy for the transmission tower design. Proposed element models are truss element model, beam element model, and combined beam-truss element model. The static finite element analysis shows that there's a moment distribution between a mainpost member and the other bracing member.
In this paper, a numerical methodology for health monitoring of weldment was proposed using finite element method coupled with continuum damage mechanics. The welding-induced residual stress distribution of T-joint weldment was calculated using a commercial finite element package SYSWELD+. The distribution of latent damage was evaluated from the stress and strain components taken as the output of a finite element calculation. Numerical examples were given to demonstrate the usefulness of this so-called "post-processing approach" in the case of welding-induced damage assessment.
This study focuses on development of a finite element model for analysis of thermal characteristics of a direct-connection spindle of a machining center by joint simulation of heat transfer and thermal deformation. Two finite element analyses were carried out procedurally for heat transfer, first, to identify temperature distribution of components of the spindle and then for thermal deformation to identify their structural behavior based on the temperature distribution. It was assumed that the heat transfer between a component revolving and the surrounding air is identical to that between a flat plate and the running air on it and the heat transfer is based on a uniform surface heat flux for turbulent flow. The results from the analyses were compared with those from experiments to validate the finite element model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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