International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.14
no.1
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pp.30-45
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2013
The present work focuses on the unsteady aerodynamics and aeroelastic properties of a small-medium sized wind-turbine blade operating under ideal conditions. A tapered/twisted blade representative of commercial blades used in an experiment setup at the National Renewable Energy Laboratory is considered. The aerodynamic loads are computed using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. For this purpose, FLUENT$^{(R)}$, a commercial finite-volume code that solves the Navier-Stokes and the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, is used. Turbulence effects in the 2D simulations are modeled using the Wilcox k-w model for validation of the CFD approach. For the 3D aerodynamic simulations, in a first approximation, and considering that the intent is to present a methodology and workflow philosophy more than highly accurate turbulent simulations, the unsteady laminar Navier-Stokes equations were used to determine the unsteady loads acting on the blades. Five different blade pitch angles were considered and their aerodynamic performance compared. The structural dynamics of the flexible wind-turbine blade undergoing significant elastic displacements has been described by a nonlinear flap-lag-torsion slender-beam differential model. The aerodynamic quasi-steady forcing terms needed for the aeroelastic governing equations have been predicted through a strip-theory based on a simple 2D model, and the pertinent aerodynamic coefficients and the distribution over the blade span of the induced velocity derived using CFD. The resulting unsteady hub loads are achieved by a first space integration of the aeroelastic equations by applying the Galerkin's approach and by a time integration using a harmonic balance scheme. Comparison among two- and three- dimensional computations for the unsteady aerodynamic load, the flap, lag and torsional deflections, forces and moments are presented in the paper. Results, discussions and pertinent conclusions are outlined.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.5
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pp.2125-2133
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2013
Recently, an interest on joint behavior between adjacent concrete slab tracks has increasing due to large application of such track system. Dowel bars are widely used to improve load transfer capacity across the joints. Dowel bars reduce the deflections and stresses by transferring the load between the slabs. This study proposes the lumped shear spring model to efficiently model dowel joints of adjacent slabs. This model includes bearing stiffness between dowel bar and concrete as well as dowel gap. Strength of the proposed spring model is evaluated based on Concrete Capacity Design method under the assumption of shear failure mode in the joints. Experiments are also performed up to failure to evaluate the accuracy of the proposed model. It has been observed that the proposed model is able to predict initial nonlinearity due to dowel gap, and capture material nonlinearity of the test slabs. Thus, it is recommended that the proposed model can be effectively applied to the dowel joints of concrete slab track.
This is the fourth of a series of companion papers dealing with the mechanical property reductions of various marine structural steels. Even though a reduction of the elastic modulus according to temperature increases has not been obtained from experiments, high temperature experiments from room temperature to $900^{\circ}C$ revealed that initial the yield strength and tensile strength are both seriously degraded. The mechanical properties obtained from high temperature experiments are compared with those from EC3 (Eurocode 3). It is found that the high temperature test results generally comply with the prediction values by EC3. Based on the prediction of EC3, time domain nonlinear finite element analyses were carried out for a blast wall installed on a real FPSO. After applying the reduced mechanical properties, corresponding to $600^{\circ}C$ to the FE model of the blast wall, more than three times the deflections were observed and it was observed that most structural parts experience plastic deformations exceeding the reduced yield strength at the high temperature. It is noted that a protection facility such as PFP (passive fire protection) should be required for structures likely to be directly exposed to fire and explosion accident.
In a steel structural system, noncomposite form deck one-way slab is the plate element supported by four-edged steel beams with unequaled stiffness. However, design criterion has analyzed the one-way slab as the continuous beam. Because the end beams that support the one-way slab have elastic supports t hat cause different deflections according to the support conditions and locations, the bending moments corresponding to the support ic support effect is not considered in the design criterion. Accordingly, to conduct a reasonable estimation of approximate moment coefficients considering the unequaled elastic support conditions, this study analyzes and estimates various models with varia bles for the ratios of live load to dead load and pattern arangements of live loads and span lengths. The analytical methods considering the finite three-dimensional plate element, the two-dimensional elastic support and the infinite stifnes suport are performed.
A beam on elasto-plastic foundation modeling of soldier pile and woodlagging tieback walls or anchored walls was developed and tested. An instrumented full scale tieback wall in sand was constructed at the National Geotechnical Experimentation Bite located on Texas A&M University. The experimental earth pressure deflection relationship (p-y curves) was developed from the measurements. The construction sequence was simulated in the proposed method. The conceptual methodology of an anchored wall design was introduced by using the proposed method. The proposed method was evaluated with the measurements of case histories in sand and clay. A parametric research was performed to study the most influencing factors for the proposed method. It is concluded that the proposed method represents a significant improvement on the prediction of bending moments and deflections of the properly designed walls.
For each construction material used, there is certain theoretical limit in sizes. For tall building construction, the reduction in slab weight is the first step to take in order to break such size limits. In this paper, the feasibility of such objective is proven and given by numerical analysis result. For a typical building slab, both concrete and advanced composite sandwich panels are considered. The concrete slab is treated as a special orthotropic plate to obtain more accurate result. For each panel, the deflection under the dead and live loads is compared, since both tensile and compressive strengths of the composites are far more higher than those of concrete. All types of sandwich panels considered, except one case, have self-weights less than one tenth of that of the reinforced concrete slab, with deflections less than that of the reinforced concrete slab.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.39
no.4
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pp.297-305
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2011
In this study, the aeroelastic analysis of rotorcraft in forward flight has been performed using dynamic inflow model to handle unsteady aerodynamics. The quasi-steady airload model based on the blade element method has been coupled with dynamic inflow model developed by Peters and He. The nonlinear steady response to periodic motion is obtained by integrating the full finite element equation in time through a coupled trim procedure with a vehicle trim for stability analysis. The aerodynamic and structural characteristics of dynamic inflow model are validated against other numerical analysis results by comparing induced inflow and blade tip deflections(flap, lag). In order to validate aeroelastic stability of dynamic inflow model, lag damping are also compared with those of linear inflow model.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.3
no.4
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pp.342-351
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2010
During the operation of a hydro turbine the fluid mechanical pressure loading on the turbine blades provides the driving torque on the turbine shaft. This fluid loading results in a structural load on the component which in turn causes the turbine blade to deflect. Classically, these mechanical stresses and deflections are calculated by means of finite element analysis (FEA) which applies the pressure distribution on the blade surface calculated by computational fluid dynamics (CFD) as a major boundary condition. Such an approach can be seen as a one-way coupled simulation of the fluid structure interaction (FSI) problem. In this analysis the reverse influence of the deformation on the fluid is generally neglected. Especially in axial machines the blade deformation can result in a significant impact on the turbine performance. The present paper analyzes this influence by means of fully two-way coupled FSI simulations of a propeller turbine utilizing two different approaches. The configuration has been simulated by coupling the two commercial solvers ANSYS CFX for the fluid mechanical simulation with ANSYS Classic for the structure mechanical simulation. A detailed comparison of the results for various blade stiffness by means of changing Young's Modulus are presented. The influence of the blade deformation on the runner discharge and performance will be discussed and shows for the configuration investigated no significant influence under normal structural conditions. This study also highlights that a two-way coupled fluid structure interaction simulation of a real engineering configuration is still a challenging task for today's commercially available simulation tools.
Kim, Ji-Hwan;Kang, Beong-Joon;Lee, Jun-Hwan;Kweon, Gi-Chul
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.24
no.4
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pp.37-46
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2008
Application of resilient modulus, representing mechanical behavior of pavement materials, has become general concept for pavement design, analysis and maintenance after '86 AASHTO selected it as a basic input property of subgrade. It is known that resilient modulus of domestic subgrade soil is affected greatly by material factors, such as water content and dry weight unit, and stress components, such as deviatoric stress and confining stress, while effects of loading frequency and loading repeat were regarded negligible. If design based on resilient modulus is to be successfully implemented, design input variables of relevant models should be able to reflect local conditions. In this study, generalized mechanical model for subgrade is proposed. Model parameters are estimated from test results. Verification of the model was performed through finite element analysis using the proposed model, which showed good agreement with measured results of pavement deflections.
High-rise structures are considered as symbols of economic power and leadership. Developing countries like India are also emerging as centers for new high-rise buildings (HRB). As the land is expensive and scarce everywhere, construction of tall buildings becomes the best solution to resolve the problem. But, as building's height increases, its stiffness reduces making it more susceptible to vibrations due to wind and earthquake forces. Several systems are available to control vibrations or deflections; however, outrigger systems are considered to be the most effective systems in improving lateral stiffness and overall stability of HRB. In this paper, a 42-storey RCC HRB is analyzed to determine the optimum position of outriggers of different materials. The linear static analysis of the building is performed with and without the provision of virtual outriggers of reinforced cement concrete (RCC) and pre-stressed concrete (PSC) at different storey levels by response spectrum method using finite element based Extended3D Analysis of building System (ETABS) software for determining responses viz. storey displacement, base shear and storey drift for individual models. The maximum allowable limit and percentage variations in earthquake responses are verified using the guidelines of Indian seismic codes. Results indicate that the outriggers contribute in significantly reducing the storey displacement and storey drift up to 28% and 20% respectively. Also, it is observed that the PSC outriggers are found to be more efficient over RCC outriggers. The optimum location of both types of outriggers is found to be at the mid height of building.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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