Fluid-body interaction analysis of floating body with six degree-of-freedom motion is presented. In this study, three-dimensional incompressible Navier-Stokes equations are employed as a governing equation. The numerical method is based on a finite-volume approach on a cartesian grid together with a fractional-step method. To represent the body motion, the immersed boundary method for direct forcing is employed. In order to simulate the coupled six degree-of-freedom motion, Euler's equations based on rigid body dynamics are utilized. To represent the complex body shape, level-set based algorithm is utilized. In order to describe the free surface motion, the volume of fluid method utilizing the tangent of hyperbola for interface capturing scheme is employed. This study showed three different continuums(air, water and body) are simultaneously simulated by newly developed code. To demonstrate the applicability of the current approach, two different problems(dam-breaking with stationary obstacle and water entry) are simulated and all results are validated.
This thesis has suggested a method of applying the Maximum Principle of Pontryagin to the optimal control of distributive electrical networks. In general, electrical networks consist of branches, nodes, sources and loads. The effective values of steady state currents and voltages are independent of time but only expressed as the functions of position. Moreover, most of the node voltages and branch currents are not predetermined, that is, initially unknown, and their inherent loop characteristics satisfy only Kirchhoff's current and voltage laws. The Maximum Principle, however, needs the initial fixed values of all state variables for its standand way of application. In spite of this inconsistency this thesis has undertaken to suggest a new approach to the successful solution of the above mentioned networks by introducing scaling factors and a state variable change technique which transform the boundary-value unknown problem into the boundary-value partially fixed and partially free problem. For the examples of applying the method suggested, the control problems for minimizing copper quantity in a distribution line have been solved with voltage drop constraint imposed on. In the case of uniform load distribution it has been shown that the optimal wire diameter of the distribution line is reciprocally proportional to the root of distance. For the same load pattern as above the wire diameter giving the minimum copper loss in the distribution line has been shown to be reciprocally proportional to distance.
In the present paper, a direct forcing/fictitious domain (DF/FD) level set method is proposed to simulate the FSI (fluid-solid interaction) in two-phase flow. The main idea is to combine the direct-forcing/fictitious domain (DF/FD) method with the level set method in the Cartesian coordinates. The DF/FD method is a non-Lagrange-multiplier version of a distributed Lagrange multiplier/fictitious domain (DLM/FD) method. This method does not sacrifice the accuracy and robustness by employing a discrete ${\delta}$ (Dirac delta) function to transfer quantities between the Eulerian nodes and Lagrangian points explicitly as the immersed boundary method. The advantages of this approach are the simple concept, easy implementation, and utilization of the original governing equation without modification. Simulations of various water-entry problems have been conducted to validate the capability and accuracy of the present method in solving the FSI in two-phase flow. Consequently, the present results are found to be in good agreement with those of previous studies.
This paper treats an adaptive finite-element method for the viscous compressible flow governed by Navier-Stokes equations in two dimensions. The numerical algorithm is the two-step Taylor-Galerkin mettled using unstructured triangular grids. To increase accuracy and stability, combined moving node method and grid refinement method have been used for grid adaption. Validation of the present algorithm has been made by comparing the present computational results with the existing experimental data and other numerical solutions. Four benchmark problems are solved for demonstration of the present numerical approach. They include a subsonic flow over a flat plate, the Carter flat plate problem, a laminar shock-boundary layer interaction. and finally a laminar flow around NACA0012 airfoil at zero angle of attack and free stream Mach number of 0.85. The results indicates that the present adaptive triangular grid method is accurate and useful for laminar viscous flow calculations.
Lee Sung-gun;Kim Su-jin;Yang Min-yang;Lee Dong-yoon
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.3
s.234
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pp.447-454
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2005
This paper presents a new paradigm for 3-axis tool path generation based on an incomplete 2-manifold mesh model, namely, an inexact polyhedron. When geometric data is transferred from one system to another system and tessellated for tool path generation, the model does not have any topological data between meshes and facets. In contrast to the existing polyhedral machining approach, the proposed method generates tool paths from an incomplete 2-manifold mesh model. In order to generate gouge-free tool paths, CL-meshes are generated by offsetting boundary edges, boundary vertices, and facets. The CL-meshes are sliced by machining planes and the calculated intersections are sorted, trimmed, and linked. The grid method is used to reduce the computing time when range searching problems arise. The method is fully implemented and verified by machining an incomplete 2-manifold mesh model.
Garg, A.;Mukhopadhyay, T.;Chalak, H.D.;Belarbi, M.O.;Li, L.;Sahoo, R.
Steel and Composite Structures
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v.44
no.5
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pp.707-720
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2022
In the present work, bending and free vibration analyses of multilayered functionally graded (FG) graphene platelet (GPL) and fiber-reinforced hybrid composite beams are carried out using the parabolic function based shear deformation theory. Parabolic variation of transverse shear stress across the thickness of beam and transverse shear stress-free conditions at top and bottom surfaces of the beam are considered, and the proposed formulation incorporates a transverse displacement field. The present theory works only with four unknowns and is computationally efficient. Hamilton's principle has been employed for deriving the governing equations. Analytical solutions are obtained for both the bending and free vibration problems in the present work considering different variations of GPLs and fibers distribution, namely, FG-X, FG-U, FG-Λ, and FG-O for beams having simply-supported boundary condition. First, the matrix is assumed to be strengthened using GPLs, and then the fibers are embedded. Multiscale modeling for material properties of functionally graded graphene platelet/fiber hybrid composites (FG-GPL/FHRC) is performed using Halpin-Tsai micromechanical model. The study reveals that the distributions of GPLs and fibers have significant impacts on the stresses, deflections, and natural frequencies of the beam. The number of layers and shape factors widely affect the behavior of FG-GPL-FHRC beams. The multilayered FG-GPL-FHRC beams turn out to be a good approximation to the FG beams without exhibiting the stress-channeling effects.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.30
no.1
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pp.45-64
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1993
This paper dealt with the application of a numerical method developed by the authors using the matching method proposed in the previous paper on "The Nonlinear motions of cylinders(I)[16]", and Cauchy's theorem to the problems associated with hydrodynamic forces acting on a heaving cylinders translating in a calm water and also motions of cylinders in waves. In spectral method. body boundary condition in submerged case is satisfied exactly but one in floating case is not satisfied exactly. In the numerical code developed here, the boundary condition at the free-surface and body surface is satisfied exactly at its instaneous position. It is of interest to note that the present scheme could be applied to a free-surface-piercing body without experiencing a difficulty in the numerical convergence. The computed results are compared with other results([6], [12]).
Conoidal shells are doubly curved stiff surfaces which are easy to cast and fabricate due to their singly ruled property. Application of laminated composites in fabrication of conoidal shells reduces gravity forces and mass induced forces compared to the isotropic constructions due to the high strength to weight ratio of the material. These light weight shells are preferred in the industry to cover large column free open spaces. To ensure design reliability under service conditions, detailed knowledge about different behavioral aspects of conoidal shell is necessary. Hence, in this paper, static bending, free and forced vibration responses of composite conoidal shells are studied. Lagrange's equation of motion is used in conjunction with Hamilton's principle to derive governing equations of the shell. A finite element code using eight noded curved quadratic isoparametric elements is developed to get the solutions. Uniformly distributed load for static bending analysis and three different load time histories for solution of forced vibration problems are considered. Eight different stacking sequences of graphite-epoxy composite and two different boundary conditions are taken up in the present study. The study shows that relative performances of different shell combinations in terms of static behaviour cannot provide an idea about how they will relatively behave under dynamic loads and also the fact that the points of occurrence of maximum static and dynamic displacement may not be same on a shell surface.
In this paper, a new quasi-3D sinusoidal shear deformation theory for functionally graded (FG) plates is proposed. The theory considers both shear deformation and thickness-stretching influences by a trigonometric distribution of all displacements within the thickness, and respects the stress-free boundary conditions on the upper and lower faces of the plate without employing any shear correction coefficient. The advantage of the proposed model is that it posses a smaller number of variables and governing equations than the existing quasi-3D models, but its results compare well with those of 3D and quasi-3D theories. This benefit is due to the use of undetermined integral unknowns in the displacement field of the present theory. By employing the Hamilton principle, equations of motion are obtained in the present formulation. Closed-form solutions for bending and free vibration problems are determined for simply supported plates. Numerical examples are proposed to check the accuracy of the developed theory.
Despite popularity of FEM in analysis of static and dynamic structural problems and the routine applicability of FE softwares, analytical methods based on simple mathematical relations is still largely sought by many researchers and practicing engineers around the world. Development of such analytical methods for analysis of free vibration of non-prismatic beams is also of primary concern. In this paper a new and simple method is proposed for determination of vibration frequencies of non-prismatic beams under variable axial forces. The governing differential equation is first obtained and, according to a harmonic vibration, is converted into a single variable equation in terms of location. Through repetitive integrations, integral equation for the weak form of governing equation is derived. The integration constants are determined using the boundary conditions applied to the problem. The mode shape functions are approximated by a power series. Substitution of the power series into the integral equation transforms it into a system of linear algebraic equations. Natural frequencies are determined using a non-trivial solution for system of equations. Presented method is formulated for beams having various end conditions and is extended for determination of the buckling load of non-prismatic beams. The efficiency and convergence rate of the current approach are investigated through comparison of the numerical results obtained to those obtained using available finite element software.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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