Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.10
no.2
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pp.1-14
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2006
Present study examines the numerical issues of cell structure simulation for various regimes of detonation phenomena ranging from weakly unstable to highly unstable detonations. Inviscid fluid dynamics equations with $variable-{\gamma} $ formulation and one-step Arrhenius reaction model are solved by a MUSCL-type TVD scheme and 4th order accurate Runge-Kutta time integration scheme. A series of numerical studies are carried out for the different regimes of the detonation phenomena to investigate the computational requirements for the simulation of the detonation wave cell structure by varying the reaction constants and grid resolutions. The computational results are investigated by comparing the solution of steady ZND structure to draw out the minimum grid resolutions and the size of the computational domain for the capturing cell structures of the different regimes of the detonation phenomena.
In this paper, we present a new explicit procedure using periodic cubic B-spline interpolation polynomials to solve linear and nonlinear dynamic equation of motion governing single degree of freedom (SDOF) systems. In the proposed approach, a straightforward formulation was derived from the approximation of displacement with B-spline basis in a fluent manner. In this way, there is no need to use a special pre-starting procedure to commence solving the problem. Actually, this method lies in the case of conditionally stable methods. A simple step-by-step algorithm is implemented and presented to calculate dynamic response of SDOF systems. The validity and effectiveness of the proposed method is demonstrated with four examples. The results were compared with those from the numerical methods such as Duhamel integration, Linear Acceleration and also Exact method. The comparison shows that the proposed method is a fast and simple procedure with trivial computational effort and acceptable accuracy exactly like the Linear Acceleration method. But its power point is that its time consumption is notably less than the Linear Acceleration method especially in the nonlinear analysis.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2015.05a
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pp.296-296
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2015
The aim of this paper is to numerically explore the feasibility of designing a Mini-Hydro turbine. The interest for this kind of horizontal axis turbine relies on its versatility. For instance, in the field of renewable energy, this kind of turbine may be considered for different applications, such as: tidal power, run-of-the-river hydroelectricity, wave energy conversion. It is fundamental to improve the turbine performance and to decrease the equipment costs for achievement of "environmental friendly" solutions and maximization of the "cost-advantage". In the present work, the commercial CFD code ANSYS is used to perform 3D simulations, solving the incompressible Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (U-RANS) equations discretized by means of a finite volume approach. The implicit segregated version of the solver is employed. The pressure-velocity coupling is achieved by means of the SIMPLE algorithm. The convective terms are discretized using a second order accurate upwind scheme, and pressure and viscous terms are discretized by a second-order-accurate centered scheme. A second order implicit time formulation is also used. Turbulence closure is provided by the realizable k - turbulence model. In this study, a mini hydro turbine (3kW) has been considered for utilization of horizontal axis impeller. The turbine performance and flow behavior have been evaluated by means of numerical simulations. Moreover, the performance of the impeller varied in the pressure distribution, torque, rotational speed and power generated by the different number of blades and angles. The model has been validated, comparing numerical results with available experimental data.
This paper presents the convected material frame approach to study the nonlinear behavior of inelastic frame structures. The convected material frame approach is a modification of the co-rotational approximation by incorporating an adaptive convected material frame in the basic definition of the displacement vector and strain tensor. In the formulation, each discrete element is associated with a local coordinate system that rotates and translates with the element. For each load increment, the corresponding strain-displacement and nodal force-stress relationships are defined in the updated local coordinates, and based on the updated element geometry. The rigid body motion and deformation displacements are decoupled for each increment. This modified approach incorporates the geometrical nonlinearities through the continuous updating of the material frame geometry. A generalized nonlinear function is used to derive the inelastic constitutive relation and the kinematic hardening is considered. The equation of motion is integrated by an explicit procedure and it involves only vector assemblage and vector storage in the analysis by assuming a lumped mass matrix of diagonal form. Several numerical examples are demonstrated in close agreement with the solutions obtained by the ANSYS code. Numerical studies show that the proposed approach is capable of investigating large deflection of inelastic planar structures and providing an excellent numerical performance.
In this paper the geometrically nonlinear continuum plate finite element model, hitherto not reported in the literature, is developed using the total Lagrange formulation. With the layerwise displacement field of Reddy, nonlinear Green-Lagrange small strain large displacements relations (in the von Karman sense) and linear elastic orthotropic material properties for each lamina, the 3D elasticity equations are reduced to 2D problem and the nonlinear equilibrium integral form is obtained. By performing the linearization on nonlinear integral form and then the discretization on linearized integral form, tangent stiffness matrix is obtained with less manipulation and in more consistent form, compared to the one obtained using laminated element approach. Symmetric tangent stiffness matrixes, together with internal force vector are then utilized in Newton Raphson's method for the numerical solution of nonlinear incremental finite element equilibrium equations. Despite of its complex layer dependent numerical nature, the present model has no shear locking problems, compared to ESL (Equivalent Single Layer) models, or aspect ratio problems, as the 3D finite element may have when analyzing thin plate behavior. The originally coded MATLAB computer program for the finite element solution is used to verify the accuracy of the numerical model, by calculating nonlinear response of plates with different mechanical properties, which are isotropic, orthotropic and anisotropic (cross ply and angle ply), different plate thickness, different boundary conditions and different load direction (unloading/loading). The obtained results are compared with available results from the literature and the linear solutions from the author's previous papers.
Dash, Sushmita;Mehar, Kulmani;Sharma, Nitin;Mahapatra, Trupti R.;Panda, Subrata K.
Structural Engineering and Mechanics
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v.68
no.6
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pp.721-733
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2018
The modal frequency responses of functionally graded (FG) sandwich doubly curved shell panels are investigated using a higher-order finite element formulation. The system of equations of the panel structure derived using Hamilton's principle for the evaluation of natural frequencies. The present shell panel model is discretised using the isoparametric Lagrangian element (nine nodes and nine degrees of freedom per node). An in-house MATLAB code is prepared using higher-order kinematics in association with the finite element scheme for the calculation of modal values. The stability of the opted numerical vibration frequency solutions for the various shell geometries i.e., single and doubly curved FG sandwich structure are proven via the convergence test. Further, close conformance of the finite element frequency solutions for the FG sandwich structures is found when compared with the published theoretical predictions (numerical, analytical and 3D elasticity solutions). Subsequently, appropriate numerical examples are solved pertaining to various design factors (curvature ratio, core-face thickness ratio, aspect ratio, support conditions, power-law index and sandwich symmetry type) those have the significant influence on the free vibration modal data of the FG sandwich curved structure.
This study explores the linear and nonlinear solutions of sigmoid functionally graded material (S-FGM) nanoplate with porous effects. A size-dependent numerical solution is established using the strain gradient theory and isogeometric finite element formulation. The nonlinear nonlocal strain gradient is developed based on the Reissner-Mindlin plate theory and the Von-Karman strain assumption. The sigmoid function is utilized to modify the classical functionally graded material to ensure the constituent volume distribution. Two different patterns of porosity distribution are investigated, viz. pattern A and pattern B, in which the porosities are symmetric and asymmetric varied across the plate's thickness, respectively. The nonlinear finite element governing equations are established for bending analysis of S-FGM nanoplates, and the Newton-Raphson iteration technique is derived from the nonlinear responses. The isogeometric finite element method is the most suitable numerical method because it can satisfy a higher-order derivative requirement of the nonlocal strain gradient theory. Several numerical results are presented to investigate the influences of porosity distributions, power indexes, aspect ratios, nonlocal and strain gradient parameters on the porous S-FGM nanoplate's linear and nonlinear bending responses.
The objective of this paper is to compute entire flow field over Apollo-II, Aerospace Reentry Demonstrator (ARD), Orbital Experiment (OREX) with sharp shoulder and rounded shape shoulder and Space Recovery Experiment (SRE) at different flare-cone half-angle of 20° and 35°. This paper addresses numerical solutions of the compressible three-dimensional Euler equations on hexahedral meshes for a freestream Mach 6 and at an angle of incidence 5°. Furthermore, spatial discretization is accomplished by a cell centred finite volume formulation solution and advanced in time by an explicit multi-stage Runge-Kutta method. The flow field characteristics, distribution of surface pressure coefficient and Mach number on fore-body and aft-body are presented as a function of the geometrical parameters of many reentry capsules. The surface pressure variation is numerically integrated to obtain the aerodynamic drag and compared well with impact theory. The present numerical study has observed the significant dependence of the blunt body and the aft-body geometry of the vehicle and can be used to study atmospheric conditions during re-entry trajectory. The numerical analysis reveals the significant influence of capsule geometry on the flow characteristics of the mechanism of upstream and structure of the flow near the wake region and aerodynamic drag coefficient.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.6
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pp.1465-1477
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1993
Powder Injection Molding(PM) is an advanced and complicated technology for manufacturing ceramic or metal products making use of a conventional injection molding process, which is generally used for plastic products. Among many technologies involved in the successful PIM, injection molding process is one of the key steps to form a desired shape out of powder/binder mixtures. Thus, it is of great importance to have a numerical tool to predict the powder injection molding filling process. In this regard, a finite element analysis system has been developed for numerical simulations of filling process of powder injection molding. Powder/polymer mixtures during the filling pro cess of injection molding can be rheologically characterized as Non-Newtonian fluids with a so called yield phenomena and have a peculiar feature of apparent slip phenomena on the wall boundaries surrounding mold cavity. Therefore, in the present study, a physical modeling of the filling process of powder/polymer mixtures was developed to take into account both the yield stress and slip phenomena and a finite element formulation was developed accordingly. The numerical analysis scheme for filling simulation is accomplished by combining a finite element method with control volume technique to simulate the movement of flow front and a finite difference method to calculate the temperature distribution. The present study presents the modeling, numerical scheme and some numerical analysis results showing the effect of the yield stress and slip phenomena.
Computational Structural Engineering : An International Journal
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v.1
no.2
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pp.107-116
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2001
The present paper investigates the nonlinear behavior of reinforced concrete shear walls with a crank based on a finite element analysis. The loading type is a horizontal cyclic one such as earthquake loads. Experiments of the shear walls with and without cranks, performed previously to see flow the behavior changes depending on the crank, are compared with the results obtained from the finite element analysis. The finite element analysis is based on an isoparametric degenerated shell formulation. The nonlinear constitutive equations fur concrete are modeled adopting the formulation based on a concept of Ring Typed-Lattice Model. The experiments indicate that the shear walls with a crank have low stiffness and relatively low carrying capacity compared with an ordinary plane shear wall without cranks and that they are more ductile, and the tendency is a1so confirmed based on the finite element analysis. Moreover, a good agreement between the experiments and analyses is obtained, accordingly, it is confined that the present numerical analysis scheme based on the Lattice Model is a powerful one to evaluate the behavior of reinforced concrete shear walls with cranks and without cranks.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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