In structural mechanics, traditional analyses methods usually employ matrix operations for obtaining displacement and internal forces of the structure under the external effects, such as distributed loads, earthquake or wind excitations, and temperature changing inter alia. These matrices are derived from the well-known principle of mechanics called minimum potential energy. According to this principle, a system can be in the equilibrium state only in case when the total potential energy of system is minimum. A close examination of the expression of the well-known equilibrium condition for linear problems, $P=K{\Delta}$, where P is the load vector, K is the stiffness matrix and ${\Delta}$ is the displacement vector, it is seen that, basically this principle searches the displacement set (or deformed shape) for a system that minimizes the total potential energy of it. Instead of using mathematical operations used in the conventional methods, with a different formulation, meta-heuristic algorithms can also be used for solving this minimization problem by defining total potential energy as objective function and displacements as design variables. Based on this idea the technique called Total Potential Optimization using Meta-heuristic Algorithms (TPO/MA) is proposed. The method has been successfully applied for linear and non-linear analyses of trusses and truss-like structures, and the results have shown that the approach is much more successful than conventional methods, especially for analyses of non-linear systems. In this study, the application of TPO/MA, with Harmony Search as the selected meta-heuristic algorithm, to cables net system is presented. The results have shown that the method is robust, powerful and accurate.
This paper presents a cost effective quasi-resonant soft-switching PWM high frequency inverter with minimum circuit components. This inverter can achieve wider soft commutation, simpler power circuit configuration, smaller volumetric size, lower cost and wider power regulation range, higher-efficiency as compared with single ended quasi-resonant ZVS-PFM inverter and active voltage clamped quasi-resonant ZVS-PWM inverter. The operation principle of the proposed inverter is described on the basis of the simulation and experimental results, together with its operating performances in steady state. The operating performances of this unique proposed high frequency inverter based on ZVS and ZCS arms-related soft commutation principle is evaluated and discussed as compared with the active voltage-clamped ZVS-PWM inverter and a conventional single-ended ZVS-PFM inverter. The practical effectiveness of a novel type quasi-resonant soft-switching PWM high frequency inverter using IGBT is actually proved for consumer induction heated appliances as rice cooker, hot water producer, steamer and super heated steamer. The extended bidirectional circuit topology of quasi-resonant PWM high frequency inverter with minimum circuit components is demonstrated, which operate as the direct frequency changer.
In this paper, the deflection and buckling analyses of porous nano-composite piezoelectric plate reinforced by carbon nanotube (CNT) are studied. The equations of equilibrium using energy method are derived from principle of minimum total potential energy. In the research, the non-local strain gradient theory is employed to consider size dependent effect for porous nanocomposite piezoelectric plate. The effects of material length scale parameter, Eringen's nonlocal parameter, porosity coefficient and aspect ratio on the deflection and critical buckling load are investigated. The results indicate that the effect of porosity coefficient on the increase of the deflection and critical buckling load is greatly higher than the other parameters effect, and size effect including nonlocal parameter and the material length scale parameter have a lower effect on the deflection increase with respect to the porosity coefficient, respectively and vice versa for critical buckling load. Porous nanocomposites are used in various engineering fields such as aerospace, medical industries and water refinery.
The bistable thin cylindrical shell is developable structure with the ability to transition between its two stable configurations. This structure offers significant potential applications due to its excellent deformability. In this paper, the composite thin cylindrical shell consisting of the composite layer and the piezoelectric layer was investigated. The material and geometric parameters of the shell were found to influence its stable characteristics. The analysis model of the composite thin cylindrical shell incorporating the piezoelectric layer was developed, and the expressions for its strain energy were derived. By applying the minimum energy principle, the impact of the electric field intensity on the bi-stable behaviors of the cylindrical shell was analyzed. The results showed that the shell exhibited the bistability only under the appropriate electric field strength. And the accuracy of the theoretical prediction was verified by simulation experiments. This study provides an important reference for the application of deployable structures.
A novel, 6-node, two-dimensional mixed finite element (FE) model has been developed to analyze laminated composite beams by using the minimum potential energy principle. The model has been formulated by considering four degrees of freedom (two displacement components u, w and two transverse stress components ${\sigma}_z$, $\tau_{xz}$) per node. The transverse stress components have been invoked as nodal degrees of freedom by using the fundamental elasticity equations. Thus, the present mixed finite element model not only ensures the continuity of transverse stress and displacement fields through the thickness of the laminated beams but also maintains the fundamental elasticity relationship between the components of stress, strain and displacement fields throughout the elastic continuum. This is an important feature of the present formulation, which has not been observed in various mixed formulations available in the literature. Results obtained from the model have been shown to be in excellent agreement with the elasticity solutions for thin as well as thick laminated composite beams. A few results for a cross-ply beam under fixed support conditions are also presented.
L.S. Pontryagin의 Maximum Principle과 수직방향을 고려하지 않은 2군 화산 방정식을 우라늄농축도 범위에 제한없이 원통형원자로의 최소 임계질량문제에 적용하였다. 핵연료 장전방법에 관한한 최적 원자로는 내심부와 외심부가 최소의 농축도를 갖고 중간영역은 최대의 농축도를 갖는 3-영역식 원자로인 것으로 밝혀졌다. 상기 3-영역식 원자로를 모델로 하여 임계조건을 유도하였으며, 또한 고리원자로를 예로하여 농축도를 여러가지로 변환시키면서 임계조건의 해를 구하는 수치해석을 수행하였다. 그 결과 여러가지 임계조건중 최소의 임계질량을 갖는 경우는 중간영역에서의 최대 농축도가 1.2%이고 내심부와 외심부에서의 농축도가 0.65%일때라는 것이 판명되었다.
In this article, the force method and Charged System Search (CSS) algorithm are used for the analysis and optimal design of truss structures. The CSS algorithm is employed as the optimization tool and the force method is utilized for analysis. In this paper in addition to member's cross sections, redundant forces, geometry and topology variables are considered as the optimization variables. Minimum complementary energy principle is used directly to analyze the structure. In the presented method, redundant forces are calculated by the CSS in order to minimize the energy function. Combination of the CSS and force method leads to an efficient algorithm in comparison to some of the optimization algorithms.
An optimal design method for a spoke double-layer cable-net structure (SDLC) is proposed in this study. Simplified calculation models of the SDLC are put forward to reveal the static responses under vertical loads and wind loads. Next, based on an energy principle, the relationship among the initial prestress level, cross-sectional areas of the components, rise height, sag height, overall displacement, and relative deformation is proposed. Moreover, a calculation model of the Foshan Center SDLC is built and optimized. Given the limited loading cases, material properties of the components, and variation ranges of the rise height and sag height, the self-weight and initial prestress level of the entire structure can be obtained. Because the self-weight of the cables decreases with increasing of the rise height and sag height, while the self-weight of the inner strut increases, the total weight of the entire structure successively exhibits a sharp reduction, a gradual decrease, a slow increase, and a sharp increase during the optimization process. For the simplified model, the optimal design corresponds to the combination of rise height and sag height that results in an appropriate prestress level of the entire structure with the minimum total weight.
Bi-stable structure can be stable in both its extended and coiled forms. For the un-stressed thin cylindrical shell, the strain energy expressions are deduced by using a theoretical model in terms of only two parameters. Based on the principle of minimum potential energy, the bi-stable behaviors of the cylindrical shells are investigated. The results indicate that the isotropic cylindrical shell does not have the second stable configuration and laminated cylindrical shells with symmetric or antisymmetric layup of fibers have the second stable state under some confined conditions. In the case of antisymmetric laminated cylindrical shell, the analytical expressions of the stability are derived based on the extremal principle, and the shell can achieve a compact coiled configuration without twist deformation in its second stable state. In the case of symmetric laminated cylindrical shell, the explicit solutions for the stability conditions cannot be deduced. Numerical results show that stable configuration of symmetric shell is difficult to achieve and symmetric shell has twist deformation in its second stable form. In addition, the roll-up radii of the antisymmetric laminated cylindrical shells are calculated using the finite element package ABAQUS. The results show that the value of the roll-up radii is larger from FE simulation than from theoretical analysis. By and large, the predicted roll-up radii of the cylindrical shells using ABAQUS agree well with the theoretical results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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