The MEMS structures usually are made from silicon; consideration of the viscoelastic effect in microbeams duo to the phenomena of silicon creep is necessary. Application of the fractional model of microbeams made from viscoelastic materials is studied in this paper. Quasi-static and dynamical responses of an electrically actuated viscoelastic microbeam are investigated. For this purpose, a nonlinear finite element formulation of viscoelastic beams in combination with the fractional derivative constitutive equations is elucidated. The four-parameter fractional derivative model is used to describe the constitutive equations. The electric force acting on the microbeam is introduced and numerical methods for solving the nonlinear algebraic equation of quasi-static response and nonlinear equation of motion of dynamical response are described. The deflected configurations of a microbeam for different purely DC voltages and the tip displacement of the microbeam under a combined DC and AC voltages are presented. The validity of the present analysis is confirmed by comparing the results with those of the corresponding cases available in the literature.
The dynamic characterization is important in making accurate predictions of the seismic response of the hybrid structures dominated by different damping mechanisms. Different damping characteristics arise from the construction of the tower with different materials: steel for the upper part; reinforced concrete for the lower main part and interaction with supporting soil. The process of modeling damping matrices and experimental verification is challenging because damping cannot be determined via static tests as can mass and stiffness. The assumption of classical damping is not appropriate if the system to be analyzed consists of two or more parts with significantly different levels of damping, such as steel/concrete mixed structure - supporting soil coupled system. The dynamic response of structures is critically determined by the damping mechanisms, and its value is very important for the design and analysis of vibrating structures. An analytical approach capable of evaluating the equivalent modal damping ratio from structural components is desirable for improving seismic design. Two approaches are considered to define and investigate dynamic characteristics of hybrid tower of cable-stayed bridges: The first approach makes use of a simplified approximation of two lumped masses to investigate the structure irregularity effects including damping of different material, mass ratio, frequency ratio on dynamic characteristics and modal damping; the second approach employs a detailed numerical step-by step integration procedure in which the damping matrices of the upper and the lower substructures are modeled with the Rayleigh damping formulation.
In this paper, a meshfree shell adaptive procedure is developed for the applications in the sheet metal forming simulation. The meshfree shell formulation is based on the first-order shear deformable shell theory and utilizes the degenerated continuum and updated Lagrangian approach for the nonlinear analysis. For the sheet metal forming simulation, an h-type adaptivity based on the meshfree background cells is considered and a geometric error indicator is adopted. The enriched nodes in adaptivity are added to the centroids of the adaptive cells and their shape functions are computed using a first-order generalized meshfree (GMF) convex approximation. The GMF convex approximation provides a smooth and non-negative shape function that vanishes at the boundary, thus the enriched nodes have no influence outside the adapted cells and only the shape functions within the adaptive cells need to be re-computed. Based on this concept, a multi-level refinement procedure is developed which does not require the constraint equations to enforce the compatibility. With this approach the adaptive solution maintains the order of meshfree approximation with least computational cost. Two numerical examples are presented to demonstrate the performance of the proposed method in the adaptive shell analysis.
In this article, the static behavior of non-prismatic sandwich beams composed of functionally graded (FG) materials is investigated for the first time. Two types of beams in which the variation of elastic modulus follows a power-law form are studied. The principle of minimum total potential energy is applied along with the Ritz method to derive and solve the governing equations. Considering conventional boundary conditions, Chebyshev polynomials of the first kind are used as auxiliary shape functions. The formulation is developed within the framework of well-known Timoshenko and Reddy beam theories (TBT, RBT). Since the beams are simultaneously tapered and functionally graded, bending and shear stress pushover curves are presented to get a profound insight into the variation of stresses along the beam. The proposed formulations and solution scheme are verified through benchmark problems. In this context, excellent agreement is observed. Numerical results are included considering beams with various cross sectional types to inspect the effects of taper ratio and gradient index on deflections and stresses. It is observed that the boundary conditions, taper ratio, gradient index value and core to the thickness ratio significantly influence the stress and deflection responses.
Many practical engineering problems are associated with nonlinear systems subjected to nonstationary random excitations. Equivalent linearization methods are commonly used to seek for approximate solutions to this kind of problems. Compared to various approaches developed in the frequency and mixed time-frequency domains, though directly solving the system equation of motion in the time domain would improve computation efficiency, only limited studies are available. Considering the fact that the orthogonal functions have been widely used to effectively improve the accuracy of the approximated responses and reduce the computational cost in various engineering applications, an orthogonal-function-based equivalent linearization method in the time domain has been proposed in the current paper for nonlinear systems subjected to nonstationary random excitations. In the numerical examples, the proposed approach is applied to a SDOF system with a set-up spring and a SDOF Duffing oscillator subjected to stationary and nonstationary excitations. In addition, its applicability to nonlinear MDOF systems is examined by a 3DOF Duffing system subjected to nonstationary excitation. Results show that the proposed method can accurately predict the nonlinear system response and the formulation of the proposed approach allows it to be capable of handling any general type of nonstationary random excitations, such as the seismic load.
It has been argued that fracture energy of composite laminates depends on their thickness and number of layers. In this paper a modified direct energy balance approach (DEBA) has been developed to evaluate the mode-II shear fracture energy for E-glass/Epoxy laminates from finite element model at an arbitrary thickness. This approach considers friction and damage/plasticity deformations using cohesive zone modeling (CZM) and nonlinear finite element modeling. The presence of compressive stress and resulting friction was argued to be a possible cause for the thickness dependency of fracture energy. In the finite element modeling, CZM formulation has been developed with bilinear cohesive constitutive law combined with friction consideration. Also ply element have been developed with shear plastic damage model. Modified direct energy balance approach has been proposed for estimation of mode-II shear fracture energy. Experiments were performed on laminates of glass epoxy specimens for characterization of material parameters and determination of mode-II fracture energies for different thicknesses. Effect of laminate thickness on fracture energy of transverse crack tension (TCT) and end notched flexure (ENF) specimens has been numerically studied and comparison with experimental results has been made. It is shown that the developed numerical approach is capable of estimating increase in fracture energy due to size effect.
Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering
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v.22
no.52
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pp.117-139
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1999
This paper is concerned about the hybrid tandem configuration as the design of the automated guided vehicle system(AGVs). The hybrid tandem configuration is that the manufacturing system is divided into several non-overlapping zones, workstations of each zone are linked by network configuration including loop. That is, the manufacturing system is divided into several non-overlapping small size networks, and at most two automated guided vehicles can be available in each network. The transit point is located at proper point between adjacent networks. The parts are transported to workstations in other network through the transit points. One of the objective functions in dividing into the hybrid tandem configuration is to minimize the maximum travel time of the divided networks, and other is to minimize the total travel distance of parts moved to workstations in other networks for the next processing. The model formulation is presented, and a numerical example is shown. Also, the performances of system for the hybrid tandem, tandem and network configuration are compared through the simulation. The results of this research will contribute to the development of material handling systems in the manufacturing system. Also, it will be applied in determining the transportation area of transportation vehicles and the number and size of the transportation fleet in the transportation problem of logistics management.
Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering
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v.33
no.1
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pp.1-9
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2010
Quality design methodologies have received constituent attention from a number of researchers and practitioners for more than twenty years. Specially, the quality design for drug products must be carefully considered because of the hazards involved in the pharmaceutical industry. Conventional pharmaceutical formulation design problems with mixture experiments have been typically studied under the assumption of an unconstrained experimental region with a single quality characteristic. However, real-world pharmaceutical industrial situations have many physical limitations. We are often faced with multiple quality characteristics with constrained experimental regions. ln order to address these issues, the main objective of this paper is to propose a robust desirability function (RDF) model using a desirability function (DF) and mean square error (MSE) to simultaneously consider a number of multiple quality characteristics. This paper then present L-pseudocomponents and U-pseudocomponents to handle physical constraints. Finally, a numerical example shows that the proposed RDF can efficiently be applied to a pharmaceutical process design.
The purpose of this study was to determine the optimal composite recipe of rice muffin using three different amounts of Chinese artichoke (Stachys sieboldii MIQ) powder, brown sugar, and egg. Response surface methodology (RSM) was used to obtain 16 experimental points (including three replicates of Chinese artichoke powder, brown sugar, and egg), and the Chinese artichoke rice muffin formulation was optimized using rheology. The results of the sensory evaluation showed very significant values for color, texture, sweetness, and overall quality (P<0.05). The results of the color, texture, and chemical analyses showed significant values for crumb redness (P<0.01), crumb yellowness (P<0.05), crust redness (P<0.05), crust yellowness (P<0.001), crust lightness (P<0.05), adhesiveness (P<0.01), springiness (P<0.001), gumminess (P<0.01), cohesiveness (P<0.05), moisture content (P<0.05), and sweetness (P<0.05). As a result, optimum formulations obtained by numerical and graphical methods were found to be 8.28 g of Chinese artichoke powder, 66.20 g of brown sugar, 111.72 g of sticky rice powder, 30 g of rice powder, and 59.37 g of egg.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.35
no.4
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pp.38-45
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1998
It is a tedious and excessive time consuming process to model the local area of crack tip part of structures in calculation of stress intensity factors by FEM. So, in this paper, the hybrid method of FEM and BEM approach was formulated to overcome this type of problems. The multi-domained BEM was adopted to simplify the modelling process of complex geometry and singularity characteristics of crack tip part and the ordinary FEM modelling was used in the rest part. The example calculations shows very good results compared with analytic solutions and other numerical method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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