This article focuses on concrete structures submitted to impact loading and is aimed at predicting local damage in the vicinity of an impact zone as well as the global response of the structure. The Discrete Element Method (DEM) seems particularly well suited in this context for modeling fractures. An identification process of DEM material parameters from macroscopic data (Young's modulus, compressive and tensile strength, fracture energy, etc.) will first be presented for the purpose of enhancing reproducibility and reliability of the simulation results with DE samples of various sizes. The modeling of a large structure by means of DEM may lead to prohibitive computation times. A refined discretization becomes required in the vicinity of the impact, while the structure may be modeled using a coarse FE mesh further from the impact area, where the material behaves elastically. A coupled discrete-finite element approach is thus proposed: the impact zone is modeled by means of DE and elastic FE are used on the rest of the structure. The proposed approach is then applied to a rock impact on a concrete slab in order to validate the coupled method and compare computation times.
A unique lightweight string truss deployable bridge assembled by thin-walled fiber reinforced polymer (FRP) and metal profiles was designed for emergency applications. As a new structure, investigations into the static structural performance under the serviceability limit state are desired for examining the structural integrity of the developed bridge when subjected to unsymmetrical loadings characterized by combined torsion and bending. In this study, a full-scale experimental inspection was conducted on a fabricated bridge, and the combined flexural-torsional behavior was examined in terms of displacement and strains. The experimental structure showed favorable strength and rigidity performances to function as deployable bridge under unsymmetrical loading conditions and should be designed in accordance with the stiffness criterion, the same as that under symmetrical loads. In addition, a finite element model (FEM) with a simple modeling process, which considered the multi segments of the FRP members and realistic nodal stiffness of the complex unique hybrid nodal joints, was constructed and compared against experiments, demonstrating good agreement. A FEM-based numerical analysis was thereafter performed to explore the effect of the change in elastic modulus of different FRP elements on the static deformation of the bridge. The results confirmed that the change in elastic modulus of different types of FRP element members caused remarkable differences on the bending and torsional stiffness of the hybrid bridge. The global stiffness of such a unique bridge can be significantly enhanced by redesigning the critical lower string pull bars using designable FRP profiles with high elastic modulus.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.5
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pp.873-882
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1992
The study is concerned with the rigid-plastic element analysis for axisymmetric hydromechanical deep drawing in which the fluid flow influences the metal deformation. Due to the fluid pressure acting on the sheet material hydromechanical deep drawing is distinguished from the conventional deep drawing processes. In considering the pressure effect, the governing equation for fluid pressure is solved and the result is reflected on the global stiffness matrix. The solution procedure consists of two stages ; i.e., initial bulging of the sheet surface before the initiation of steady fluid flow in the flange and fluid-lubricated stage. The problem is decoupled between fluid analysis and analysis of solid deformation by deformation by iterative feedback of mutual computed results. The corresponding experiments are carried out for axisymmetric hydro-mechanical deep drawing of annealled aluminium sheet as well as for deep drawing. It has been shown from the experiments that the limit drawing ratio for hydro-mechanical deep drawing is improved as compared with deep drawing. The computed results are in good agreement with the experiment for variation of punch head and chamber pressure with respect to the punch travel and for distribution of thicknees strain. It is thus shown that the present method of analysis can be effectively applied to the analysis of axisymmetric hydro-mechanical deep drawing processes.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.2
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pp.180-187
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2018
Corrugated bulkhead has been adopted for cargo tank bulkheads of commercial vessels such as bulk carriers, product oil carriers and chemical tankers. It is considered that corrugated bulkhead is a preferred structural solution, compared to the flat stiffened bulkhead, due to several advantages such as lower mass, easier maintenance and smaller corrosion problems. Many researches to find the optimum shape of corrugated bulkhead have been mostly carried out for bulk carriers. Compared to corrugated bulkheads of bulk carriers, ones of chemical tankers are more complicated since they are composed of transverse and longitudinal bulkheads, and they are made of higher priced materials. The purpose of this study is the development of minimum weight design method for corrugated bulkhead of chemical tankers. Evolution strategy is applied as an optimization technique. It has been verified from many researches that evolution strategy searches global optimum point prominently by using multi-individual searching technique. Multi-individual searching methods need excessive time if they connect to 3-D finite element model for repetitive structural analyses. In order to resolve this issue, 2-D beam element connected to deck and lower stool is substituted for a corrugated structure in this study. To verify the reliability of the structural responses by idealized 2-D beam model, they have been compared with ones by 3-D finite element model. In this study, optimum design for corrugated bulkhead of 30 K chemical tanker has been carried out, and the results by developed optimum design program have been compared with design data of existing ship. It is found out that optimum design is about 9% lighter than one of existing ship.
This paper presents the global stability of geosynthetic reinforced segmental retaining walls in tiered configuration. Four design cases of walls with different geometries and offset distances were analyzed based on the FHWA and NCMA design guidelines and the discrepancies between the different guidelines were identified. A series of global slope stability analyses were conducted using the limit-equilibrium analysis and the continuum mechanics based shear strength reduction method with the aim of identifying failure patterns and the associated factors of safety. The results indicated among other things that the FHWA design approach yields conservative results both in the external and internal stability calculations, i.e., lower factors of safety, than the NCMA design approach. It was also found that required reinforcement lengths are usually governed by the global slope stability requirement rather than the external stability calculations. Also shown is that the required reinforcement lengths for the upper tiers are much longer than those based on the current design guidelines.
Zhang, Hongmei;Shan, Yufei;Duan, Yuanfeng;Yun, Chung Bang;Liu, Song
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.1
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pp.1-18
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2020
For the large deformation of shear walls under vertical and horizontal loads, there are difficulties in obtaining accurate simulation results using the response analysis method, even with fine mesh elements. Furthermore, concrete material nonlinearity, stiffness degradation, concrete cracking and crushing, and steel bar damage may occur during the large deformation of reinforced concrete (RC) shear walls. Matrix operations that are involved in nonlinear analysis using the traditional finite-element method (FEM) may also result in flaws, and may thus lead to serious errors. To solve these problems, a planar four-node element was developed based on vector mechanics. Owing to particle-based formulation along the path element, the method does not require repeated constructions of a global stiffness matrix for the nonlinear behavior of the structure. The nonlinear concrete constitutive model and bilinear steel material model are integrated with the developed element, to ensure that large deformation and damage behavior can be addressed. For verification, simulation analyses were performed to obtain experimental results on an RC shear wall subjected to a monotonically increasing lateral load with a constant vertical load. To appropriately evaluate the parameters, investigations were conducted on the loading speed, meshing dimension, and the damping factor, because vector mechanics is based on the equation of motion. The static problem was then verified to obtain a stable solution by employing a balanced equation of motion. Using the parameters obtained, the simulated pushover response, including the bearing capacity, deformation ability, curvature development, and energy dissipation, were found to be in accordance with the experimental observation. This study demonstrated the potential of the developed planar element for simulating the entire process of large deformation and damage behavior in RC shear walls.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.43
no.3
s.147
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pp.331-339
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2006
The objective of this paper is to calculate the fatigue strength for upper deck hatch corner insert plate of large container carriers without wave load analysis and global finite element analysis at the initial design stage. Wave load analysis and global F.E. analysis for three container carriers have been performed by GL(Germanischer Lloyd) procedure to propose the equation for hatch corner stress range which is the important factor in fatigue strength calculation. Considering the restraining effect of bulkhead, three types of equation, that is, single tight bulkhead, double tight bulkhead and support bulkhead have been proposed. Using the proposed equations, a simplified fatigue analysis based on GL rules has been performed for two container carriers of which fatigue strength analysis was carried out by GL. From the comparison between fatigue strength result of using the proposed equations and that of GL, it has been found that proposed stress range equations are useful for scantling of upper deck hatch corner insert plates for over 8,000 TEU class container carriers.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.30
no.4
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pp.494-504
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2006
It is well known that the two-parameter $J-A_2$ solution can well characterize the crack-tip fields and quantify the crack-tip constraint for different flawed geometries in variety of loading conditions. However, this solution fails to do so for bending dominated specimens or geometries at large deformation because of the influence of significant global bending stress on the crack-tip field. To solve this issue, a modified $J-A_2$ solution is developed in this paper by introducing an additional term to address the global bending influence. Using the $J_2$ flow theory of plasticity and within the small-strain framework detailed finite element analyses are carried out for the single edge notched bend (SENB) specimen with a deep crack in A533B steel at different deformation levels ranging from small-scale Yielding to large-scale Yielding conditions. The numerical results of the crack-tip stress field are then compared with those determined from the $J-A_2$ solution and from the modified $J-A_2$ solution at the same level of applied loading Results indicate that the modified $J-A_2$ solution largely improves the $J-A_2$ solution, and match very well with the numerical results in the region of interest at all deformation levels. Therefore, the proposed solution can effectively describe the crack-tip field and the constraint for bending dominated specimens or geometries.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.11a
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pp.834-839
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2007
This paper investigates the distortion of magnetic field of a brushless DC (BLDC) motor due to deformed rubber magnet. Global or local deformation of rubber magnet in the BLDC motor is mathematically modeled by using the Fourier series. Distorted magnetic field is calculated by using the finite element method, and unbalanced magnetic force are calculated by using the Maxwell stress tensor. The first harmonic deformation in the global deformation of rubber magnet generates the first harmonic driving frequency of the unbalanced magnetic force, and the rest harmonic deformations of rubber magnet except the harmonic deformation with multiple of common divisor of pole and slot introduces the driving frequencies with multiple of slot number ${\pm}1$ to the unbalanced magnetic force. However, the harmonic deformation with multiple of common divisor of pole and slot does not generate unbalanced magnetic force due to the rotational symmetry. When the rubber magnet is locally deformed, the unbalanced magnetic force has the first harmonic driving frequency and the driving frequencies with multiples of slot number ${\pm}1$.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2002.05a
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pp.348-352
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2002
a basis such as IT(Information Technology), NT(Nano Technology) and BT(Bio Technology). Recently, NT is applied to various fields that are composed of science, industry, media and semiconductor-micro technology. It has need of IT that is ultra-precision positioning technology with strokes of many hundreds mm and maintenance of nm precision in fields of ultra micro process, ultra precision measurement, photo communication part and photo magnetic memory. This thesis represents optimal design on ultra-precision positioning with single plane X-Y stage and development of artificial control system for adequacy of industrial demand. Also, dynamic simulation on global stage is performed by using ADAMS (Automated Dynamic Analysis of Mechanical System) for the purpose of grasping dynamic characteristic on user designed X-Y global stage. The error between displacements from micro stage and from FEM(Finite Element Method) is 3.53% by verifications of stability on micro stage and control performance. As maximum Von-mises stress on hinge of micro stage is 5.981kg/mm$^2$ that is 1.5% of yield stress, stability on hinge is secured. Preparing previous results, optimal design of micro stage can be possible, and reliance of results with FEM can be secured.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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