The expertise required in the judicious use of nonlinear finite element (FE) packages for design-assistance purposes is not widely available to the average engineer, whose sole aim may be to obtain an estimate for a single design parameter, such as the limit load capacity of a structure. Such a parameter may be required for the design of a proposed reinforced concrete (RC) floor slab or bridge deck with a given set of geometrical and material details. This paper outlines a procedure for developing design-assistance equations for carrying out such predictions for partially restrained RC slabs under uniformly distributed loading condition, based on a database of FE results previously generated from a large number of 'numerical model' slabs. The developed equations have been used for predicting the peak loads of a number of experimental RC slabs having varying degrees of edge restraints; with results showing a reasonable degree of accuracy and low level of scatter. The simplicity of the equations makes them attractive and their successful use in the field of application reported in this paper suggest that the outlined procedure may also be extended to other classes of concrete structures.
We have investigated the transient behavior of 1D fully developed Poiseuille viscoelastic flow under finite pressure gradient described by the Oldroyd-B and Leonov constitutive equations. For analysis we employ a simple $2^{nd}$ order discretization scheme such as central difference for space and the Crank-Nicolson for time approximation. For the analysis of the Oldroyd-B model, we also apply the analytical solution, which is obtained again in this work in terms of elementary solution procedure simpler than the previous one (Waters and King, 1970). Both models demonstrate qualitatively similar solutions, but their eventual steady flowrate exhibits noticeable difference due to the absence or presence of shear thinning behavior. In the inertialess flow, the flowrate instantaneously attains a large value corresponding to the Newtonian creeping flow and then decreases to its steady value when the applied pressure gradient is low. However with finite liquid density the flow field shows severe fluctuation even accompanying reversals of flow directions. As the assigned pressure gradient increases, the flowrate achieves its steady value significantly higher than its value during oscillations after quite long period of time. We have also illustrated comparison between 1D and 2D results and possible mechanism of complex 2D flow rearrangement employing a previous solution of [mite element computation. In addition, we discuss some mathematical points regarding missing boundary conditions in 2D modeling due to the change of the type of differential equations when varying from inertialess to inertial flow.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.03a
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pp.434-443
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2009
Slope stability analysis is an essential part of rock slope design. For highly fractured rock, the limit equilibrium method (LEM) based slope stability analysis with a circular failure surface is often carried out assuming the rock mass behaves more or less as a continuum. This paper examines first, the applicability of the finite-element method (FEM) based shear strength reduction (SSR) technique for highly fractured rock slope, and second the use of Mohr-Coulomb (MC) failure criterion in conjunction with generalized Hoek-Brown (HB) failure criterion. The numerical results on a number of cases are compared in terms of the factor of safety (FS). The results indicated that the FEM-based SSR technique yields almost the same FSs from LEM, and that the MC and HB failure criteria yield almost identical FSs when the strength parameters for MC failure criterion are obtained based on the modified HB failure criterion if and only if value of the Hoek-Brown constant $m_i$ is smaller than 10 and slope angle is smaller than 1:1, otherwise MC failure criteria over-estimate the factor of safety.
This paper will examine the possibilities of the virtual tests of composite structures by simulating mechanical behaviors by using supercomputing technologies, which have now become easily available and powerful but relatively inexpensive. We will describe mainly the applications of large-scale finite element analysis using the direct numerical simulation (DNS), which describes composite material properties considering individual constituent properties. DNS approach is based on the full microscopic concepts, which can provide detailed information about the local interaction between the constituents and micro-failure mechanisms by separate modeling of each constituent. Various composite materials such as metal matrix composites (MMCs), active fiber composites (AFCs), boron/epoxy cross-ply laminates and 3-D orthogonal woven composites are selected as verification examples of DNS. The effective elastic moduli and impact structural characteristics of the composites are determined using the DNS models. These DNS models can also give the global and local information about deformations and influences of high local in-plane and interlaminar stresses induced by transverse impact loading at a microscopic level inside the materials. Furthermore, the multi-scale models based on DNS concepts considering microscopic and macroscopic structures simultaneously are also developed and a numerical low-velocity impact simulation is performed using these multi-scale DNS models. Through these various applications of DNS models, it can be shown that the DNS approach can provide insights of various structural behaviors of composite structures.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2002.10a
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pp.191-196
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2002
The paper presents a numerical and experimental investigation on dynamic behaviors of a towed low tension cable. In the numerical study, an implicit finite difference algorithm is employed for three-dimensional cable equations. Fluid and geometric non-linearity and bending stiffness are considered and solved by Newton-Raphson iteration. Block tri-diagonal matrix method is applied for the fast calculation of the huge size of matrices. In order to verify the numerical results and to see real physical phenomena, an experiment is carried out for a 6m cable in a deep and long towing tank. The cable is towed in two different ways; one is towed at a constant speed and the other is towed at a constant speed with top end horizontal oscillations. Cable tension and shear forces are measured at the top end. Numerical and experimental results are compared with good agreements in most cases but with some differences in a few cases. The differences are due to drag coefficients caused by vortex shedding. In the numerical modeling, non-uniform element length needs to be employed to cope with the sharp variation of tension and shear forces at near top end.
We propose a nearly lossless, compact, electrically modulated vertical directional coupler, which is based on the controllable evanescent coupling in a previously proposed graphene-assisted total internal reflection (GA-FTIR) scheme. In the proposed device, two single-mode waveguides are separate by graphene-$SiO_2$-graphene layers. By changing the chemical potential of the graphene layers with a gate voltage, the coupling strength between the waveguides, and hence the coupling length of the directional coupler, is controlled. Therefore, for a properly chosen, fixed device length, when an input wave is launched into one of the waveguides, the ratio of their output powers can be controlled electrically. The operation of the proposed device is analyzed, with the dispersion relations calculated using a model of a one-dimensional slab waveguide. The supermodes in the coupled waveguide are calculated using the finite-element method to estimate the coupling length, realistic devices are designed, and their performance was confirmed using the finite-difference time-domain method. The designed $3{\mu}m$ by $1{\mu}m$ device achieves an insertion loss of less than 0.11 dB, and a 24-dB extinction ratio between bar and cross states. The proposed low-loss device could enable integrated modulation of a strong optical signal, without thermal buildup.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2007.05a
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pp.401-404
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2007
Inertia welding is a solid-state welding process in which butt welds in materials are made in bar and in ring form at the joint face, and energy required for welding is obtained from a rotating flywheel. The stored energy is converted to frictional heat at the interface under axial load. The quality of the welded joint depends on many parameters, including axial force, initial revolution speed and energy, amount of upset, working time, and residual stresses in the joint. Inertia welding was conducted to make the large rotor shaft for low speed marine diesel engine, alloy steel for shaft of 140mm. Due to different material characteristics, such as, thermal conductivity and flow stress, on the two sides of the weld interface, modeling is crucial in determining the optimal weld geometry and parameters. FE simulation was performed by the commercial code DEFORM-2D. A good agreement between the predicted and actual welded shape is observed. It is expected that modeling will significantly reduce the number of experimental trials needed to determine the weld parameters.
The vacuum interrupter (VI) is used for medium-voltage switching circuits due to its abilities and advantages as a compact and environmental friendly circuit breaker. In general, the application of a sufficiently strong axial magnetic field (AMF) permits the arc to be maintained in a diffused mode to a high-current vacuum arc. A full understanding of the vacuum arc physics is very important since it can aid to improve the performance of vacuum interrupter. In order to closely examine the vacuum arc phenomena, it is necessary to predict the magnetohydrodynamic (MHD) characteristics by the multidisciplinary numerical modeling, which is coupled with the electromagnetic and hydrodynamic fields, simultaneously. In this study, we have investigated the electromagnetic behaviors of high-current vacuum arcs for two different types of AMF contacts, which are coil-type and cup-type, using a commercial finite element analysis (FEA) package, ANSYS. The present results are compared with those of MAXWELL 3D, a reliable electromagnetic analysis software, for verification.
Fuel cells are devices that convert chemical energy directly into electrical energy. Owing to the high efficiency of the fuel cells, a large number of research work have been done during these years. Among many kinds of the fuel cells, a polymer electrolyte membrane fuel cell is such kind of thing which works under low temperature. Because of the specialty, it stimulated intense global R&D competition. Most of the major world automakers are racing to develop polymer electrolyte membrane fuel cell passenger vehicles. Unfortunately, there are still many problems to be solved in order to make them into the commercial use, such as the thermal and water management in working process of PEMFCs. To solve the difficulites facing the researcher, the analysis of the inner mechanism of PEMFC should be implemented as much as possible and mathematical modeling is an important tool for the research of the fuel cell especially with the combination of experiment. By regarding some of the assumptions and simplifications, using the finite element technique, a two-dimensional electrochemical mode is presented in this paper for the further comparison with experimental data. Based on the principals of the problem, the equations of electronic charge conservation equation, gas-phase continuity equation, and mass balance equation are used in calculating. Finally, modeling results indicate some of the phenomenon in a unit cell, and the relationships between potential and current density.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.22
no.1
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pp.81-87
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2012
This paper establishes a modeling and simulation procedure for structural response and reliability of a cylindrical array sensor on submarines under the shock generated by underwater explosion. The structural reliability of SONAR is important because the submarine could get out of combat ability by the structural damage of the SONAR upon explosion. A cylindrical array sensor was first modeled using the finite element method. Modal analysis was then performed for the check of the reliability of the modeling. The shock resistance simulations were performed for the responses to the structural shock waves and for the responses to the directly applied underwater shock waves, according to BV-043 and MIL-STD-901D, respectively. The stresses of the structure were evaluated with von-Mises scheme. Vulnerable regions were exposed through mapping the maximum stress to the structural model. Maximum stress of the SONAR was compared with the yield stress of the material to examine the structural reliability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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