A level-set finite-element method is employed to investigate the free surface flow of two conceptual fish passage designs. While one design has a right-angled entrance from the reservoir to the fish passage chute, the other has a curved-shaped entrance. The numerical results are validated with hydraulic experiments through comparison of the free surface location and the pressure distribution in the spillway. It is observed that the right-angled design yields a curved free surface and pressure distribution in the vicinity of the entrance due to large strains, whereas the curved-shaped design yields a smooth flow transition with small strains. The subatmospheirc pressure distributions near the spillway ogee crest for both designs exhibit similar flow patterns. It is concluded that the curved-shaped design is more favorable for fish passage because of the feature of a smooth flow transition with small strains.
This paper investigates the applicability of newly developed Cu-Al-Mn shape memory alloy (SMA) bars to retrofitting of historical masonry constructions by performing quasi-static tests of half-scale brick walls subjected to cyclic out-of-plane flexure. Problems associated with conventional steel reinforcing bars lie in pinching, or degradation of stiffness and strength under cyclic loading, and in their inability to restrain residual deformations in structures during and after intense earthquakes. This paper attempts to resolve the problems by applying newly developed Cu-Al-Mn SMA bars, characterized by large recovery strain, low material cost, and high machinability, as partial replacements for steel bars. Three types of brick wall specimens, unreinforced, steel reinforced, and SMA reinforced specimens are prepared. The specimens are subjected to quasi-static cyclic loading up to rotation angle enough to cause yielding of reinforcing bars. Corresponding nonlinear finite element models are developed to simulate the experimental observations. It was found from the experimental and numerical results that both the steel reinforced and SMA reinforced specimens showed substantial increment in strength and ductility as compared to the unreinforced specimen. The steel reinforced specimen showed pinching and significant residual elongation in reinforcing bars while the SMA reinforced specimen did not. Both the experimental and numerical observations demonstrate the superiority of Cu-Al-Mn SMA bars to conventional steel reinforcing bars in retrofitting historical masonry constructions.
Son, Jae Hyoung;Lee, Wook Jin;Park, Yong Ha;Park, Yong Ho;Park, Ik Min
Korean Journal of Metals and Materials
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v.48
no.5
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pp.469-475
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2010
In this study, the interfacial bond strength of a squeeze infiltrated $Al_{18}B_{4}O_{33}$/AS52 Mg composite was investigated by using a finite element method. Three types of Mg composites with volume fractions of 15, 25 and 35% were fabricated. Three-dimensional models of the composite were developed by using a unit cell model in order to determine the effective elastic modulus of the metal matrix composite and the interfacial bond strength between the whisker and magnesium matrix. After modeling, numerical results were compared with the experimental tensile test results of $Al_{18}B_{4}O_{33}$/AS52 Mg composites. The results showed that the effective modulus of the composite strongly depended on the interfacial strength between the matrix and reinforcement. Based on the numerical and experimental findings, it was found that the strong interfacial bond was achieved by the interfacial reaction product of 30 nm thick MgO, which led to an improvement in the mechanical properties of the $Al_{18}B_{4}O_{33}$/AS52 Mg composites.
Dynamic buckling of structure is one of the failure modes that needs to be considered since it may result in catastrophic failure of the structure in a short period of time. For a thin fiber-reinforced polymer (FRP) plate under compression, buckling is an inherent hazard which will be intensified by the existence of defects like holes, cracks, and delamination. On the other hand, the growth of the delamination is another prime concern for thin FRP plates. In the current paper, reinforcing the plates against buckling is realized by using SMA wires in the form of stitches. A numerical framework is proposed to simulate the dynamic instability emphasizing the effect of the SMA stitches in suppressing delamination growth. The suggested algorithm is more accurate than the other methods when considering the transformation point of the SMA wires and the modeling of the cohesive zone using simple and yet reliable technique. The computational design of the method by producing the line by line orders leads to a simple algorithm for simulating the super-elastic behavior. The Lagoudas constitutive model of the SMA material is implemented in the form of user material subroutines (VUMAT). The normal bilinear spring model is used to reproduce the cohesive zone behavior. The nonlinear finite element formulation is programmed into FORTRAN using the Newmark-beta numerical time-integration approach. The obtained results are compared with the results obtained by the finite element method using ABAQUS/Explicit solver. The obtained results by the proposed algorithm and those by ABAQUS are in good agreement.
The Journal of the Convergence on Culture Technology
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v.9
no.4
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pp.593-599
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2023
There is risk of derailment due to various factors such as vehicle-track load imbalance in curved parts, so urban railways install and operate derailing prevent guard rails. The angle-type derailing prevent guard rail is composed of various parts including the guard angle. Even if derailment does not occur, various damages occur in the components, so continuous maintenance is required. Through the damage status analysis, the components of the angle-type derailing prevent guard rail with high damage frequency were classified, and conditions for the occurrence of various damages were investigated. In addition, a numerical analysis using a precise 3D numerical model was performed to analyze the cause of the damage analytically. In order to analytically simulate the derailment situation, the static ultimate load condition was applied, and the actual drawing of the angle-type derailing prevent guard rails, rails, and wheels was used for modeling. By analyzing the results of the damage status investigation and finite element analysis, we tried to investigate the damage of the components.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.41
no.11
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pp.1065-1075
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2017
In this study, high velocity impact tests along with modeling of material behavior and numerical analyses were conducted to predict the dispersion behavior of the debris resulting from a high velocity impact fracture. For the impact tests, two different materials were employed for both the projectile and the target plate - the first setup employed aluminum alloy while the second employed steel. The projectile impacts the target plate with a velocity of approximately 1 km/s were enforced to generate the impact damages in the aluminum witness plate through the fracture debris. It was confirmed that, depending on the material employed, the debris dispersion behavior as well as the dispersion radii on the witness plate varied. A numerical analysis was conducted for the same impact test conditions. The smoothed particle hydrodynamics (SPH)-finite element (FE) coupled technique was then applied to model the fracture and damage upon the debris. The experimental and numerical results for the diameters of the perforation holes in the target plate and the debris dispersion radii on the witness plate were in agreement within a 5% error. In addition, the impact test using steel was found to be more threatening as proven by the larger debris dispersion radius.
Park, Sun-Woo;Kim, Seung-Deog;Shon, Su-Deok;Jeong, Eul-Seok
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.7
no.2
s.24
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pp.115-124
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2007
The initial shape is arrived at by a self-formation process, which accomplishes a form in the natural world, or is determined analytically by considering the equilibrium of initial stress only. Therefore, the self-formation process, which accomplishes a form in the natural world is grasped and the types of modeling techniques available to find the shapes of soft structures are well investigated and classified. To establish a form-finding modeling techniques, the models of string, soap film, fabric, rubber, plaster, and etc. are used. These modeling techniques can be used as a method of understanding the characteristics of structures when the material of model shows similar characteristics. Generally, the model test confirms the structure based on numerical analysis, at the same time it is important preceding process to develop such a program. With the above process, the relationship between model test and numerical analysis becomes a feedback process. Therefore, in this study, two examples which have been accomplished from such a technique are investigated and considered according to modeling process.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.25
no.4
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pp.59-66
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2018
In this paper, we analyzed the usefulness of single-structured printed circuit board (PCB) modeling by using numerical analysis to model the PCB structure applied to a package for semiconductor purposes and applying modeling assuming a single structure. PCBs with circuit layer of 3rd and 4th were used for analysis. In addition, measurements were made on actual products to obtain material characteristics of a single structure PCB. The analysis results showed that if the PCB was modeled in a single structure compared to a multi-layered structure, the warpage analysis results resulting from modeling the PCB structure would increase and there would be a significant difference. In addition, as the circuit layer of the PCB increased, the mechanical properties of the PCB, the elastic coefficient and inertia moment of the PCB increased, decreasing the package's warpage.
Being a significant mode of deformation, shear effect in addition to the other modes of stretching and bending have been considered to develop two finite element models for the analysis of beams on elastic foundation. The first beam model is developed utilizing the differential-equation approach; in which the complex variables obtained from the solution of the differential equations are used as interpolation functions for the displacement field in this beam element. A single element is sufficient to exactly represent a continuous part of a beam on Winkler foundation for cases involving end-loadings, thus providing a benchmark solution to validate the other model developed. The second beam model is developed utilizing the hybrid-mixed formulation, i.e., Hellinger-Reissner variational principle; in which both displacement and stress fields for the beam as well as the foundation are approxmated separately in order to eliminate the well-known phenomenon of shear locking, as well as the newly-identified problem of "foundation-locking" that can arise in cases involving foundations with extreme rigidities. This latter model is versatile and indented for utilization in general applications; i.e., for thin-thick beams, general loadings, and a wide variation of the underlying foundation rigidity with respect to beam stiffness. A set of numerical examples are given to demonstrate and assess the performance of the developed beam models in practical applications involving shear deformation effect.
In meeting the technical needs for deepwater conditions and overcoming the shortfalls of single-layer pipes for deepwater applications, pipe-in-pipe (PIP) systems have been developed. While, for PIP pipelines directly laid on the seabed or with partial embedment, one of the primary service risks is lateral buckling. The critical axial force is a key factor governing the global lateral buckling response that has been paid much more attention. It is influenced by global imperfections, submerged weight, stiffness, pipe-soil interaction characteristics, et al. In this study, Finite Element Models for imperfect PIP systems are established on the basis of 3D beam element and tube-to-tube element in Abaqus. A parameter study was conducted to investigate the effects of these parameters on the critical axial force and post-buckling forms. These parameters include structural parameters such as imperfections, clearance, and bulkhead spacing, pipe/soil interaction parameter, for instance, axial and lateral friction properties between pipeline and seabed, and load parameter submerged weight. Python as a programming language is been used to realize parametric modeling in Abaqus. Some conclusions are obtained which can provide a guide for the design of PIP pipelines.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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