El-Kholy, Ahmed M.;Mourad, Sherif A.;Shaheen, Ayman A.;Mohamed, Yomna A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.5
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pp.569-583
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2019
Tubular steel sections are widespread all over the world because of their strength and aesthetic appearance. Tubular steel members may exhibit local buckling such as elephant foot or overall buckling under extreme compression load. Recently, external bonding of fiber reinforced polymers (FRP) sheets for strengthening these members has been explored through experimental research. This paper presents three-dimensional nonlinear finite element analysis (FEA) to investigate the structural behavior of strengthening tubular steel members with FRP against local and overall buckling phenomena. Out-of-roundness and out-of-straightness imperfections were introduced to the numerical models to simulate the elephant foot and overall buckling, respectively. The nonlinear analysis preferences such as the integration scheme of the shell elements, the algorithm for solution of nonlinear equations, the loading procedure, the bisection limits for the load increments, and the convergence criteria were set, appropriately enough, to successfully track the sophisticated buckling deformations. The agreement between the results of both the presented FEA and the experimental research was evident. The FEA results demonstrated the power of the presented rigorous FEA in monitoring the plastic strain distribution and the buckling phenomena (initiation and propagation). Consequently, the buckling process was interpreted for each mode (elephant foot and overall) into three sequential stages. Furthermore, the influence of FRP layers on the nonlinear analysis preferences and the results was presented.
Wave propagation in a three-dimensional (3D) fully nonlinear numerical wave tank (NWT) is studied based on velocity potential theory. The governing Laplace equation with fully nonlinear boundary conditions on the moving free surface is solved using the indirect desingularized boundary integral equation method (DBIEM). The fourth-order predictor-corrector Adams-Bashforth-Moulton scheme (ABM4) and mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) method are used for the time-stepping integration of the free surface boundary conditions. A smoothing algorithm, B-spline, is applied to eliminate the possible saw-tooth instabilities. The artificial wave speed employed in MTF (multi-transmitting formula) approach is investigated for fully nonlinear wave problem. The numerical results from incorporating the damping zone (DZ), MTF and MTF coupled DZ (MTF+DZ) methods as radiation condition are compared with analytical solution. An effective MTF+DZ method is finally adopted to simulate the 3D linear wave, second-order wave and irregular wave propagation. It is shown that the MTF+DZ method can be used for simulating fully nonlinear wave propagation very efficiently.
The classical Kalman filter (KF) provides a practical and efficient way for state estimation. It is, however, not applicable when the external excitations applied to the structures are unknown. Moreover, it is known the classical KF is only suitable for linear systems and can't handle the nonlinear cases. The aim of this paper is to extend the classical KF approach to circumvent the aforementioned limitations for the joint estimation of structural states and the unknown inputs. On the basis of the scheme of the classical KF, analytical recursive solution of an improved KF approach is derived and presented. A revised form of observation equation is obtained basing on a projection matrix. The structural states and the unknown inputs are then simultaneously estimated with limited measurements in linear or nonlinear systems. The efficiency and accuracy of the proposed approach is verified via a five-story shear building, a simply supported beam, and three sorts of nonlinear hysteretic structures. The shaking table tests of a five-story building structure are also employed for the validation of the robustness of the proposed approach. Numerical and experimental results show that the proposed approach can not only satisfactorily estimate structural states, but also identify unknown loadings with acceptable accuracy for both linear and nonlinear systems.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.9
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pp.1562-1570
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2003
The prediction of the inelastic behavior of the structure is an essential part of reliability assessment procedure, because most of the failures are induced by the inelastic deformation, such as creep and plastic deformation. During decades, there has been much progress in understanding of the inelastic behavior of the materials and a lot of inelastic constitutive equations have been developed. The complexity of these constitutive equations generally requires a stable and accurate numerical method. The radial return mapping is one of the most robust integration scheme currently used. Nonlinear kinematic hardening model of Armstrong-Fredrick type has recovery term and the direction of kinematic hardening increment is not parallel to that of plastic strain increment. In this case, The conventional radial return mapping method cannot be applied directly. In this investigation, we expanded the radial return mapping method to consider the nonlinear kinematic hardening model and implemented this integration scheme into ABAQUS by means of UMAT subroutine. The solution of the non-linear system of algebraic equations arising from time discretization with the generalized midpoint rule is determined using Newton method and bisection method. Using dynamic yield condition derived from linearization of flow rule, the integration scheme for elastoplastic and viscoplastic constitutive model was unified. Several numerical examples are considered to demonstrate the efficiency and applicability of the present method.
We consider two finite difference approxiamations to a singular boundary value problem arising in the study of a nonlinear circular membrane under normal pressure. It is shown that the rates of convergence are O(h) and O($h^2$), respectively. An iterative scheme is introduced which converges to the solution of the finite difference equations. Finally the numerical experiments are given
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.25
no.2
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pp.1-10
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1988
An axially marching numerical method is developed for the simulation of the internal waves produced by translation of a submersed vehicle in a density-stratified ocean. The method provides for the direct solution of the primitive variables [$\upsilon,\;p,\;\rho$] for the nonlinear and steady state three-dimensional Euler's equation with a non-constant density term in the vehicle-fixed cartesian co-ordinate system. By utilizing a known potential flow around the vehicle for an estimate of the axial velocity gradient, the present parabolic algorithm local upstreamwise disturbances and axial velocity variation.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.14
no.4
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pp.201-210
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2010
We propose a new robust and accurate method for the numerical solution of medical image segmentation. The modified Allen-Cahn equation is used to model the boundaries of the image regions. Its numerical algorithm is based on operator splitting techniques. In the first step of the splitting scheme, we implicitly solve the heat equation with the variable diffusive coefficient and a source term. Then, in the second step, using a closed-form solution for the nonlinear equation, we get an analytic solution. We overcome the time step constraint associated with most numerical implementations of geometric active contours. We demonstrate performance of the proposed image segmentation algorithm on several artificial as well as real image examples.
A nonlinear wave routing model is suggested for the routing of floods in the natural open channel networks. For the optimization of parameter of the proposed routing model, parameter adjustment is executed through the proposed objective function. The model treats backwater effect form upstream and downstream ends. Solution of formulated model is made possible on computer by adopting a nonlinear finite-difference scheme for the numerical analysis based on a combination of Lax-Wendroff scheme and Burstein-Lapidus modification. Comparison of the results of the proposed model to those of actual hydrograph and dynamic wave routing model denotes that the proposed model is as accurate as actual runoff hydrograph and faster the computer time than the dynamic wave routing model.
In-depth convergence analyses for neutronics/thermal-hydraulics (T/H) coupled calculations are performed to investigate the performance of nonlinear methods based on the Fixed-Point Iteration (FPI). A simplified neutronics-T/H coupled system consisting of a single fuel pin is derived to provide a testbed. The xenon equilibrium model is considered to investigate its impact during the nonlinear iteration. A problem set is organized to have a thousand different fuel temperature coefficients (FTC) and moderator temperature coefficients (MTC). The problem set is solved by the Jacobi and Gauss-Seidel (G-S) type FPI. The relaxation scheme and the Anderson acceleration are applied to improve the convergence rate of FPI. The performances of solution schemes are evaluated by comparing the number of iterations and the error reduction behavior. From those numerical investigations, it is demonstrated that the number of FPIs is increased as the feedback is stronger regardless of its sign. In addition, the Jacobi type FPIs generally shows a slower convergence rate than the G-S type FPI. It also turns out that the xenon equilibrium model can cause numerical instability for certain conditions. Lastly, it is figured out that the Anderson acceleration can effectively improve the convergence behaviors of FPI, compared to the conventional relaxation scheme.
In this paper the unsteady fluid-structure interaction (FSI) problems with large structural displacement are solved by partitioned solution approaches in the arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element framework. The incompressible Navier-Stokes equations are solved by the characteristic-based split (CBS) scheme. Both a rigid body and a geometrically nonlinear solid are considered as the structural models. The latter is solved by Newton-Raphson procedure. The equation governing the structural motion is advanced by Newmark-${\beta}$ method in time. The dynamic mesh is updated by using moving submesh approach that cooperates with the ortho-semi-torsional spring analogy method. A mass source term (MST) is introduced into the CBS scheme to satisfy geometric conservation law. Three partitioned coupling strategies are developed to take FSI into account, involving the explicit, implicit and semi-implicit schemes. The semi-implicit scheme is a mixture of the explicit and implicit coupling schemes due to the fluid projection splitting. In this scheme MST is renewed for interfacial elements. Fixed-point algorithm with Aitken's ${\Delta}^2$ method is carried out to couple different solvers within the implicit and semi-implicit schemes. Flow-induced vibrations of a bridge deck and a flexible cantilever behind an obstacle are analyzed to test the performance of the proposed methods. The overall numerical results agree well with the existing data, demonstrating the validity and applicability of the present approaches.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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