Real-time hybrid simulation (RTHS) which combines physical experiment with numerical simulation is an advanced method to investigate dynamic responses of structures subjected to earthquake excitation. The desired displacement computed from the numerical substructure is applied to the experimental substructure by a servo-hydraulic actuator in real time. However, the magnitude decay and phase delay resulted from the dynamics of the servo-hydraulic system affect the accuracy and stability of a RTHS. In this study, a robust stability analysis procedure for a general single-degree-of-freedom structure is proposed which considers the uncertainty of servo-hydraulic system dynamics. For discussion purposes, the experimental substructure is a portion of the entire structure in terms of a ratio of stiffness, mass, and damping, respectively. The dynamics of the servo-hydraulic system is represented by a multiplicative uncertainty model which is based on a nominal system and a weight function. The nominal system can be obtained by conducting system identification prior to the RTHS. A first-order weight function formulation is proposed which needs to cover the worst possible uncertainty envelope over the frequency range of interest. Then, the Nyquist plot of the perturbed system is adopted to determine the robust stability margin of the RTHS. In addition, three common delay compensation methods are applied to the RTHS loop to investigate the effect of delay compensation on the robust stability. Numerical simulation and experimental validation results indicate that the proposed procedure is able to obtain a robust stability margin in terms of mass, damping, and stiffness ratio which provides a simple and conservative approach to assess the stability of a RTHS before it is conducted.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.1
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pp.95-110
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2010
A numerical model to simulate bond-slip behavior of composite beam bridges is introduced in this paper. Assuming a linear bond stress-slip relation along the interface between the slab and girder, the slip behavior is implemented into a finite element formulation. Adopting the introduced model, the slip behavior can be taken account even in a beam element which is composed of both end nodes only. Governing equation of the slip behavior, based on the linear partial interaction theory, can be determined from the force equilibrium and a constant curvature distribution across the section of a composite beam. Since the governing equation for the slip behavior requires the moment values at both end nodes, the piecewise linear distribution of the constant bending moment in an element is assumed. Analysis results by the model are compared with numerical results and experimental values, and load-displacement relations of composite beams were then evaluated to verify the validity of the proposed model.
The importance of unsaturated state in various geo-engineering problems has led to the advance of mechanical constitutive model emulating behavior of unsaturated soils in response to thermo-hydro-mechanical loading. Elasto-plastic mechanical constitutive model for unsaturated soil is formulated based on Bishop's effective stress. Effective stress and temperature are main variables in constitutive equation, and incremental formulation of constitutive relationship is derived to compute stress update and stiffness tensor. Numerical simulations involving coupled THM processes are conducted to discuss numerical stability and applicability of developed constitutive model: one-dimensional test, tri-axial compression test, and clay-buffering at high level radioactive waste disposal. Numerical results demonstrated that developed model can predict very complex behavior of coupled THM phenomena and is applicable to geo-engineering problems under various environmental conditions, as well as interpret typical behavior of unsaturated soils.
A Jacobian-Free Newton Krylov Two-Nodal Coarse Mesh Finite Difference algorithm based on Nodal Expansion Method (NEM_TNCMFD_JFNK) is successfully developed and proposed to solve the three-dimensional (3D) and multi-group reactor physics models. In the NEM_TNCMFD_JFNK method, the efficient JFNK method with the Modified Incomplete LU (MILU) preconditioner is integrated and applied into the discrete systems of the NEM-based two-node CMFD method by constructing the residual functions of only the nodal average fluxes and the eigenvalue. All the nonlinear corrective nodal coupling coefficients are updated on the basis of two-nodal NEM formulation including the discontinuity factor in every few newton steps. All the expansion coefficients and interface currents of the two-node NEM need not be chosen as the solution variables to evaluate the residual functions of the NEM_TNCMFD_JFNK method, therefore, the NEM_TNCMFD_JFNK method can greatly reduce the number of solution variables and the computational cost compared with the JFNK based on the conventional NEM. Finally the NEM_TNCMFD_JFNK code is developed and then analyzed by simulating the representative PWR MOX/UO2 core benchmark, the popular NEACRP 3D core benchmark and the complicated full-core pin-by-pin homogenous core model. Numerical solutions show that the proposed NEM_TNCMFD_JFNK method with the MILU preconditioner has the good numerical accuracy and can obtain higher computational efficiency than the NEM-based two-node CMFD algorithm with the power method in the outer iteration and the Krylov method using the MILU preconditioner in the inner iteration, which indicates the NEM_TNCMFD_JFNK method can serve as a potential and efficient numerical tool for reactor neutron diffusion analysis module in the JFNK-based multiphysics coupling application.
Permeability coefficient of concrete is a substaintial key parameter for understanding the durability performance of concrete and its microstructural densification. Many researches for the issue have been accomplished, however, it is very rare to deal with the theoretical study on permeability coefficient in connection with carbonation of concrete and the the effect of volumetric fraction of cement paste or aggregate on the permeability coefficient. The majority of these researches have not dealt with this issue combined with carbonation of concrete, although carbonation can significantly impact on the permeability coefficient of concrete. The purpose of this study is to establish a fundamental approach to compute the permeability coefficeint of (non)carbonated concrete. When simulating a microstructural characteristics as a starting point for deriving a model for the permeability coefficient by the numerical simulation program for cementitious materials, HYMOSTRUC, a more realistic formulation can be achieved. For several compositions of cement pastes, the permeability coefficient was calculated with the analytical formulation, followed by a microstructure-based model. Emphasis was on the microstructural changes and its effective change of the permeability coefficient of carbonated concrete. For carbonated concrete, reduced porosity was calculated and this was used for calculating the permeability coefficeint. The computational result was compared with experimental outcome.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.3
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pp.229-235
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2013
To investigate the effect of the flexible artery wall on the blood flow, three-dimensional numerical simulations were carried out for analyzing the time-dependent incompressible flows of Newtonian fluids constrained by a flexible wall. The Navier-Stokes equations for fluid flow were solved using the P2P1 Galerkin finite element method, and mesh movement was achieved using an arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation. The Newmark method was employed for solving the dynamic equilibrium equations for the deformation of a linear elastic solid. To avoid complexity due to the necessity of additional mechanical constraints, we used a combined formulation that includes both the fluid and structure equations of motion to produce a single coupled variational equation. The results showed that the flexibility of the carotid wall significantly affects flow phenomena during the pulse cycle. The flow field was also found to be strongly influenced by the bifurcation angle.
The purpose of this study was to develop a muffin containing dried leek powder. The complete analysis was conducted using the Design Expert 7 program (Stat - Easy Co., Minneapolis, MN, USA). The leek muffins were produced with varying amounts of leek powder (A), sugar (B), and butter (C). According to response surface methodology (RSM), there were 16 experimental points, including two replicates. The leek muffin formulation was optimized using rheology and sensory analyses. For the results, a quadratic model was applied in determining lightness, volume, hardness, and sensory characteristics, including flavor, texture, and overall quality; redness and height were represented by a linear model. Lightness decreased and redness increased with increasing amounts of leek powder (p<0.001). In addition, hardness displayed significant differences (p<0.001) with increasing amounts of leek powder. The sensory evaluation results showed significant differences for color, flavor, texture, and overall quality (p<0.05). Based on the numerical and graphical methods, the optimal formulation was determined as 8.30 g of leek power, 88.37 g of sugar, and 81.70 g of butter.
Kim, Tae-Hoon;Yoo, Young-Hwa;Choi, Jung-Ho;Shin, Hyun-Mock
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.5
s.39
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pp.15-24
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2004
The purpose of this study is to investigate the inelastic behavior and ductility capacity of reinforced concrete bridge piers including P-delta effects. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. The smeared crack approach is incorporated. In addition to the material nonlinear properties, the algorithm for large displacement problem that may give an additional deformation has been formulated using total Lagrangian formulation. The proposed numerical method for the inelastic behavior and ductility capacity of reinforced concrete bridge piers is verified by comparison with reliable experimental results.
A finite element code based on P2P1 tetra element has been developed for the large eddy simulation (LES) of turbulent flows around a complex geometry. Fractional 4-step algorithm is employed to obtain time accurate solution since it is less expensive than the integrated formulation, in which the velocity and pressure fields are solved at the same time. Crank-Nicolson method is used for second order temporal discretization and Galerkin method is adopted for spatial discretization. For very high Reynolds number flows, which would require a formidable number of nodes to resolve the flow field, SUPG (Streamline Upwind Petrov-Galerkin) method is applied to the quadratic interpolation function for velocity variables, Noting that the calculation of intrinsic time scale is very complicated when using SUPG for quadratic tetra element of velocity variables, the present study uses a unique intrinsic time scale proposed by Codina et al. since it makes the present three-dimensional unstructured code much simpler in terms of implementing SUPG. In order to see the effect of numerical diffusion caused by using an upwind scheme (SUPG), those obtained from P2P1 Galerkin method and P2P1 Petrov-Galerkin approach are compared for the flow around a sphere at some Reynolds number. Smagorinsky model is adopted as subgrid scale models in the context of P2P1 finite element method. As a benchmark problem for code validation, turbulent flows around a sphere and a MIRA model have been studied at various Reynolds numbers.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.6
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pp.713-725
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2004
The two-dimensional motion of a freely falling circular cylinder in an infinite fluid is investigated numerically using combined formulation. The effect of vortex shedding on the motion of a freely falling cylinder is clearly seen: as the streamwise velocity of the cylinder increases due to gravity, the periodic vortex shedding induces a periodic motion of the cylinder. This motion in turn affects the flow field, which is manifested by the generation of the angular velocity vector of the cylinder parallel to the cross product of the gravitational acceleration vector and the transverse velocity vector of the cylinder. A correlation of St-Re relationship for a freely falling circular cylinder is drawn from the present results. The Strouhal number for a freely falling circular cylinder is found to be smaller than that for a fixed circular cylinder when the two Reynolds numbers based on the streamwise terminal velocity of a freely failing circular cylinder and the free stream velocity of a fixed one are the same. From "thought experiments", it is shown that the transverse motion of the cylinder plays a crucial role in reducing the Strouhal number and has an effect of reducing the Reynolds number from the viewpoint of the pressure coefficient. The mechanism of this reduction in the Strouhal number is revealed by the fact that the freely falling cylinder experiences a smaller lift force than the fixed one due to the transverse motion resulting in the retardation of the vortex shedding.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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