Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.32
no.1
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pp.7-12
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2008
The vacuum interrupter (VI) is used for medium-voltage switching circuits due to its abilities and advantages as a compacted 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 effect of changing geometrical parameters for electromagnetic behaviors of high-current vacuum arcs with two different types of AMP 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.
Traditional structural dynamic analysis and Structural Health Monitoring (SHM) of large scale concrete civil structures rely on manufactured embedding transducers to obtain structural dynamic properties. However, the embedding of manufactured transducers is very expensive and low efficiency for signal acquisition. In dynamic structural analysis and SHM areas, piezoelectric transducers are more and more popular due to the advantages like quick response, low cost and adaptability to different sizes. In this paper, the applicable feasibility assessment of the designed "artificial" piezoelectric transducers called Concrete Piezoelectric Smart Module (CPSM) in dynamic structural analysis is performed via three major experiments. Experimental Modal Analysis (EMA) based on Ibrahim Time Domain (ITD) Method is applied to experimentally extract modal parameters. Numerical modal analysis by finite element method (FEM) modeling is also performed for comparison. First ten order modal parameters are identified by EMA using CPSMs, PCBs and FEM modeling. Comparisons are made between CPSMs and PCBs, between FEM and CPSMs extracted modal parameters. Results show that Power Spectral Density by CPSMs and PCBs are similar, CPSMs acquired signal amplitudes can be used to predict concrete compressive strength. Modal parameter (natural frequencies) identified from CPSMs acquired signal and PCBs acquired signal are different in a very small range (~3%), and extracted natural frequencies from CPSMs acquired signal and FEM results are in an allowable small range (~5%) as well. Therefore, CPSMs are applicable for signal acquisition of dynamic responses and can be used in dynamic modal analysis, structural health monitoring and related areas.
Sculptured surface structures such as ship hulls are traditionally formed up to the required double curved shape by line heating method. The nature of the line heating process is a transient thermal process, followed by a thermo-elastic-plastic stress field. The permanant shape is dependent on many factors involved in the process, Among them are torch speed and path, supplied heat type and amount , and plate size. Thus, the work is essentially leaded by experts with lots of experiences. However, in order to effectively improve productivity through automation, each factor should be clearly examined how much it affects the final shape. This can not be done only by experiments, but can be achieved by a mechanics-based approach. In this paper, we propose a conceptual configuration for plate forming system, and then present simulations of the line heating process with numerical data in practices and suggest a computerized process of the line heating for practical applications. The modeling of heating torch, water cooling, and the plate to be formed is proposed for the finite element analysis after the mechanics of line heating is studied. Parametric studies are given and discussed for the effects of plate thickness, torch speed and initial curvature in forming a saddle typed surface.
The vacuum interrupter (VI) is widely used in medium-voltage switching circuits due to its abilities and advantages as an environmental friendly circuit breaker. An understanding of the vacuum arc flow phenomena is very important for improving 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 the thermal flow fields, simultaneously. In this study, we have investigated arc plasma constriction phenomena and an effect of AMF on the arc plasma with the high-current vacuum arcs for the cup-type AMF electrode by using a commercial finite element analysis (FEA) package, ANSYS. The simulation results applied with various AMFs and constant Joule heat generation show that strong axial magnetic field (AMF) permits the arc to be maintained in a diffused mode to a high-current vacuum arc. However, further studies are required on the two-way coupling method and radiation model for arc plasma in order to accomplish the advanced analysis method.
Recently, electrical resistivity surveys have been used to obtain information related to underground structures including burial structure type and depth. However, various field conditions hinder understanding measured electrical resistance, and thus there is a need to understand how various geometries affect electrical resistance. This study explores the effect of geometric parameters of a structure and electrodes on electrical resistance in the framework of the finite element method. First, an electrical resistance module is developed using the generalized mesh modeling technique, and the accuracy of the module is verified by comparing the results with the analytical solution for a cylindrical electrode with conical tip. Then, 387 cases of numerical analysis including geometric parameters of a buried structure and electrodes are conducted to quantitatively estimate the detection depth under a steady-state current condition. The results show that electrical resistance is increased as (1) shallower burial depth of structure, (2) closer distance between ground electrode and structure, (3) longer horizontal electrode distance. In addition, the maximum detection depth corresponding to converged electrical resistance is deeper as (4) closer distance between ground electrode and structure, (5) shorter horizontal electrode distance. The distribution of the electric potential around the electrodes and underground structure is analyzed to provide a better understanding of the measured electrical resistance. As engineering purpose, the empirical equation is proposed to calculate maximum detection depth as first approximation.
In this work dynamic heat transfer in a CPFS (cable penetration fire stop) system built in the firewall of nuclear power plants is three-dimensionally investigated to develop a test-simulator that can be used to verify effectiveness of the sealant. Dynamic heat transfer in the fire stop system is formulated in a parabolic PDE (partial differential equation) subjected to a set of initial and boundary conditions. First, the PDE model is divided into two parts; one corresponding to heat transfer in the axial direction and the other corresponding to heat transfer on the vertical planes. The first PDE is converted to a series of ODEs (ordinary differential equations) at finite discrete axial points for applying the numerical method of SOR (successive over-relaxation) to the problem. The ODEs are solved by using an ODE solver In such manner, the axial heat flux can be calculated at least at the finite discrete points. After that, all the planes are separated into finite elements, where the time and spatial functions are assumed to be of orthogonal collocation state at each element. The initial condition of each finite element can be obtained from the above solution. The heat fluxes on the vertical planes are calculated by the Galerkin FEM (finite element method). The CPFS system was modeled, simulated, and analyzed here. The simulation results were illustrated in three-dimensional graphics. Through simulation, it was shown clearly that the temperature distribution was influenced very much by the number, position, and temperature of the cable stream, and that dynamic heat transfer through the cable stream was one of the most dominant factors, and that the feature of heat conduction could be understood as an unsteady-state process.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.1038-1043
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2003
There are many industrial applications including thin-body structures such as fins. For the numerical modeling of radiation of sound from thin bodies, the conventional boundary element method (BEM) using the Helmholtz integral equation fails to yield a reliable solution. Therefore, many researchers have tried to solve the thin-body acoustic problems. In the area of the design sensitivity analysis (DSA) and optimization methods, however, there has been just a few study reported. Especially fur the thin-body acoustics, however, no further study in the DSA and optimization fields has been reported. In this research, the normal derivative integral equation is adopted as an analysis formulation in the thin-body acoustics, and then used for the sizing DSA and optimization. Since the gradient-based method is used for the optimization, it is important to have accurate gradients (design sensitivities) of the objective function and constraints with respect to the design variables. The DSA formulations are derived through chain-ruled derivatives using the finite element method (FEM) and BEM by using the direct differentiation and continuum variation concepts. The proposed approaches are implemented and validated using a numerical example.
This study aims to examine the elastic stiffness properties of Elliptic-Braced Moment Resisting Frame (EBMRF) subjected to lateral loads. Installing the elliptic brace in the middle span of the frames in the facade of a building, as a new lateral bracing system not only it can improve the structural behavior, but it provides sufficient space to consider opening it needed. In this regard, for the first time, an accurate theoretical formulation has been developed in order that the elastic stiffness is investigated in a two-dimensional single-story single-span EBMRF. The concept of strain energy and Castigliano's theorem were employed to perform the analysis. All influential factors were considered, including axial and shearing loads in addition to the bending moment in the elliptic brace. At the end of the analysis, the elastic lateral stiffness could be calculated using an improved relation through strain energy method based on geometric properties of the employed sections as well as specifications of the utilized materials. For the ease of finite element (FE) modeling and its use in linear design, an equivalent element was developed for the elliptic brace. The proposed relation was verified by different examples using OpenSees software. It was found that there is a negligible difference between elastic stiffness values derived by the developed equations and those of numerical analysis using FE method.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2004.08a
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pp.297-306
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2004
This study investigated Austenite Grain Size (AGS) distribution in Low-Speed Round-Oval Rolling. Rolling experiments were done along with the AGS numerical modeling to characterize the final AGS distribution and its kinetics behavior. For bar rolling experiment, we utilized the pilot rolling mill, operating at 34 fixed rpm, at POSCO Technical Research Laboratories. To investigate the microstructural observation, the rigid-viscoplastic finite element analysis was combined with Hodgson's AGS evolution model. To consider the transient thermal history in the integrative AGS modeling, additivity rule was introduced. The integrated analysis revealed that static or meta-dynamic recrystallization is responsible for the AGS difference in the inner or outer region of rolled bar. Comparative study showed that the current AGS modeling approach can be used to model the overall AGS distribution in bar rolling processes. For more accurate AGS prediction, the AGS modeling method should be verified under the various rolling conditions such as different rolling speeds and different deformations.
A degenerated cylindrical shell element for modeling glass fiber reinforced plastic pipes is developed and its performance for static structural analysis under internal uniform pressure is evaluated. The element is a nine node degenerated solid shell element with reduced integration technique, addition of nonconforming displacement modes, and assumed strain method to improve convergence of analysis. Several numerical examples are solved and compared with analytical solutions and other F.E.M programs, The results show that the increment of fiber orientation in the GFRP pipes with reference to the longitudinal axis cause less radial displacements and much stiffness in the pipes. This is reasonable since the internal pressure will primarily cause hoop stresses in the ring and 90-angle ply GFRP ring carry these efficiently in pure tension.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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