In this paper optimization of volume fraction distribution in a thick hollow cylinder with finite length made of two-dimensional functionally graded material (2D-FGM) and subjected to steady state thermal and mechanical loadings is considered. The finite element method with graded material properties within each element (graded finite elements) is used to model the structure. Volume fractions of constituent materials on a finite number of design points are taken as design variables and the volume fractions at any arbitrary point in the cylinder are obtained via cubic spline interpolation functions. The objective function selected as having the normalized effective stress equal to one at all points that leads to a uniform stress distribution in the structure. Genetic Algorithm jointed with interior penalty-function method for implementing constraints is effectively employed to find the global solution of the optimization problem. Obtained results indicates that by using the uniform distribution of normalized effective stress as objective function, considerably more efficient usage of materials can be achieved compared with the power law volume fraction distribution. Also considering uniform distribution of safety factor as design criteria instead of minimizing peak effective stress affects remarkably the optimum volume fractions.
Correia, Jose A.F.O.;de Jesus, Abilio M.P.;Silva, Antonio L.L.;Pedrosa, Bruno;Rebelo, Carlos;Calcada, Rui A.B.
Advances in Computational Design
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v.2
no.4
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pp.333-348
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2017
Inspections of ancient metallic bridges have illustrated fatigue cracking in riveted connections. This paper presents a comparison between two alternative finite element (FE) models proposed to predict the fatigue strength of a single shear and single rivet connection. The first model is based on solid finite elements as well as on contact elements, to simulate contact between the components of the connection. The second model is built using shell finite elements in order to model the plates of the riveted connection. Fatigue life predictions are carried out for the shear splice, integrating both crack initiation and crack propagation lives, resulting from the two alternative FE models. Global fatigue results, taking into account several clamping stresses on rivet, are compared with available experimental results. Proposed comparisons between predictions and experimental data illustrated that the proposed two-stage model yields consistent results.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.25
no.9
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pp.59-70
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2008
Polynomial is used to optimize crown bowl shape of a marine medium speed diesel engine piston. The primary goal of this paper is that it's for an original design through a thermal stress and highest temperature minimum. Piston is modeled using solid element with 6 design variables defined the positional coordinate value. Global optimum of design variables are found and evaluated as developed and integrated with the optimum algorithm combining genetic algorithm(GA) and tabu search(TS). Iteration for optimization is performed based on the result of finite element analysis. After optimization, thermal stress and highest temperature reduced 0.68% and 1.42% more than initial geometry.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.3
s.96
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pp.251-258
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2005
The free vibration of a spinning flexible disk-spindle system supported by hydro dynamic bearings (HDB) in an HDD is analyzed by FEM. The spinning flexible disk is described using Kirchhoff plate theory and von Karman non-linear strain, and its rigid body motion is also considered. It is discretized by annular sector element. The rotating spindle which includes the clamp, hub, permanent magnet and yoke, is modeled by Timoshenko beam including the gyroscopic effect. The flexible supporting structure with a complex shape which includes stator core, housing, base plate, sleeve and thrust pad is modeled by using a 4-node tetrahedron element with rotational degrees of freedom to satisfy the geometric compatibility. The dynamic coefficients of HDB are calculated from the HDB analysis program, which solves the perturbed Reynolds equation using FEM. Introducing the virtual nodes and the rigid link constraints defined in the center of HDB, beam elements of the shaft are connected to the solid elements of the sleeve and thrust pad through the spring and damper element. The global matrix equation obtained by assembling the finite element equations of each substructure is transformed to the state-space matrix-vector equation, and the associated eigen value problem is solved by using the restarted Arnoldi iteration method. The validity of this research is verified by comparing the numerical results of the natural frequencies with the experimental ones. Also the effect of supporting structures to the natural modes of the total HDD system is rigorously analyzed.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.572-578
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2003
The free vibration of a spinning flexible disk-spindle system supported by hydro dynamic bearings in a HDD is analyzed by FEM. The spinning flexible disk is described using Kirchhoff plate theory and von Karman non-linear strain, and its rigid body motion is also considered. It is discretized by annular sector element. The rotating spindle which includes the clamp, hub, permanent magnet and yoke, is modeled by Timoshenko beam including the gyroscopic effect. The flexible supporting structure with a complex shape which includes stator core, housing, base plate, sleeve and thrust pad is modeled by using a 4-node tetrahedron element with rotational degrees of freedom to satisfy the geometric compatibility. The dynamic coefficients of HDB are calculated from the HDB analysis program, which solves the perturbed Raynolds equation using FEM. Introducing the virtual nodes and the rigid link constraints defined in the center of HDB, beam elements of the shaft are connected to the solid elements of the sleeve and thrust pad through the spring and damper element. The global matrix equation obtained by assembling the finite element equations of each substructure is transformed to the state-space matrix-vector equation, and the associated eigenvalue problem is solved by using the restarted Arnoldi iteration method. The validity of this research is verified by comparing the numerical results of the natural frequencies with the experimental ones. Also the effect of supporting structures to the natural modes of the total HDD system is rigorously analyzed.
This paper deals with an experimental and numerical study of a mono-strand wedge anchor head mechanism. First, the experimental program is presented and monitored data such as wedge slippage, anchor deflection and strain distributions along external peripheral surfaces of the anchor head are presented and discussed. In accordance with the experimental set up, these data concern only the global behaviour of the mechanism and cannot provide valuable information such as internal stress-strains distributions, stress concentrations and percentage of yielded volume. Therefore, the second part of this paper deals with the development of an efficient numerical finite element model capable of providing mechanism of the core information. The numerical model which includes all kinematics/material/contact non-linearities is first calibrated using experimental data. Subsequently, a numerical study of the anchorage mechanism is performed and its behaviour is compared to the behaviour of a slightly geometrically modified mechanism where the external diameter has been increased by 5 mm. Finally, different topics influencing the anchorage mechanism behaviour are addressed such as lubrication and wedge shape.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1994.10a
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pp.129-136
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1994
Spherical storage tank for chemical plant is analyzed for the loads and their combinations in accordance with Section Ⅷ, Division 2 of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Design Analysis of Butene storage tank is carried out by utilizing 3-dimensional plate and beam elements of a general purpose finite element program. Two separate 3-D finite element models are used; one for the global analysis of the entire spherical storage tank, the other for the local analysis of junction part and its vicinity of shell-to-supporting structures. The analysis is focused on the equator plate in the shell and the junction part of shell-to-supporting structures.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.17
no.6
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pp.199-209
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2000
Particles reinforced MMCs have higher specific modulus, higher specific strength, better properties at elevated temperatures and better wear resistance than monolithic metals. But the coefficient of thermal expansion(CTE) of Al6061 is 5 times larger than that of SiCp. The discrepancy of CTE makes some residual stresses inside of MMCs. This work investigates Si$C_p$/Al6061 composites at high temperatures in the microscopic view by three-dimensional elasto-plastic finite element analyses and compares the analytical results with the experimental ones. The theoretical model is not able to consider the nonuniform shape of particle. So the shape of particle is assumed to be perfect global shape. And also particle distribution is not homogeneous in experimental specimen. It is assumed to be homogeneous in simulation model. The type of particle distribution is face-centered cubic array(FCC array). Furthermore, non-homogeneous distribution is modeled by combination of several volume fractions.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.6
no.4
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pp.63-72
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2003
This paper deals with the analysis of composite sabot of APFSDS projectile. Unlike conventional composite parts, the sabot is composed of thick-sectioned lamination, and thus requires 3-dimensional properties in the analysis. In this study, a model was formulated to calculate the equivalent composites properties. The equivalent properties were then used in the finite element analysis and the results were compared with those by the full 3-dimensional analysis with ply-by-ply modeling. The results generally agreed with each other in the bound of 20% error, indicating that the formulated model produced the equivalent properties with reasonable accuracy. It was thought to be an efficient approach to use the model in global analysis and then perform the full 3-dimensional analysis in regions of interest for detailed evaluation in designing the composite sabot structure.
A seamless analysis of material behavior incorporating complex geometry and crack- tip modeling is one of greatly interesting topics in engineering and computational fracture mechanics fields. However, there are still large gaps between the industrial applications and fundamental academic studies due to a time consuming detailed modeling. In order to resolve this problem, a numerical method to calculate an energy release rate by virtual crack closure technique was proposed in this paper. Both free mesh method and finite element method have been utilized and, thereafter, robust local and global elements for various geometries and boundary conditions were generated. A validity of the proposed method has been demonstrated through a series of fracture mechanics analyses without tedious crack-tip meshing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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