Magolan, Ben;Baglietto, Emilio;Brown, Cameron;Bolotnov, Igor A.;Tryggvason, Gretar;Lu, Jiacai
Nuclear Engineering and Technology
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v.49
no.6
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pp.1318-1325
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2017
Direct Numerical Simulation (DNS) serves as an irreplaceable tool to probe the complexities of multiphase flow and identify turbulent mechanisms that elude conventional experimental measurement techniques. The insights unlocked via its careful analysis can be used to guide the formulation and development of turbulence models used in multiphase computational fluid dynamics simulations of nuclear reactor applications. Here, we perform statistical analyses of DNS bubbly flow data generated by Bolotnov ($Re_{\tau}=400$) and LueTryggvason ($Re_{\tau}=150$), examining single-point statistics of mean and turbulent liquid properties, turbulent kinetic energy budgets, and two-point correlations in space and time. Deformability of the bubble interface is shown to have a dramatic impact on the liquid turbulent stresses and energy budgets. A reduction in temporal and spatial correlations for the streamwise turbulent stress (uu) is also observed at wall-normal distances of $y^+=15$, $y/{\delta}=0.5$, and $y/{\delta}=1.0$. These observations motivate the need for adaptation of length and time scales for bubble-induced turbulence models and serve as guidelines for future analyses of DNS bubbly flow data.
This paper employed a systematic analysis using a 2-D hybrid special finite element containing an edge crack in order to describe the fracture behavior of spot-welds in automotive structures. The 2-D hybrid special finite element is derived form a mixed formulation with a complex potential function with the description of the singularity of a stress field. The hybrid special finite element containing an edge crack can give a better description of its singularity with only one hybrid element surrounding one crack. The advantage of this special element is that it can greatly simplify the numerical modeling of the spot welds. Some numerical examples demonstrate the validity and versatility of the present analysis method. The lap-shear, lap-tension and angle-clip specimens are analyzed and some useful fracture parameters such as the stress intensity factor and the initial direction of crack growth are obtained simultaneously.
Precipitates, present in most commercial alloys, can have a strong influence on strength and hardening behavior of a single crystal. The effect of thin precipitates on the anisotropy of initial slip resistance and hardening behavior of crystals is modeled in this article. For the convenience of the computational derivation and implementation, the material formulation is given in the unrelated intermediate configuration mapped by the plastic part of the deformation gradient. Material descriptions for the considered two phased aggregates consisting in lattice hardening as well as isotropic hardening and kinematic hardening are suggested. Numerical simulations of various loading cases are presented to discuss and assess the performance of the suggested model. From the results of the numerical simulation, it is found that the suggested model represents the initial plastic anisotropy at least qualitatively well and that it has an improved representation of various characteristic hardening behaviors in comparison with conventional hardening descriptions where the precipitate structure is not reflected.
The computational post-buckling strength of the tilted sandwich composite shell structure is evaluated in this article. The computational responses are obtained using a mathematical model derived using the higher-order type of polynomial kinematic in association with the through-thickness stretching effect. Also, the sandwich deformation behaviour of the flexible soft-core sandwich structural model is expressed mathematically with the help of a generic nonlinear strain theory i.e. Green-Lagrange type strain-displacement relations. Subsequently, the model includes all of the nonlinear strain terms to account the actual deformation and discretized via displacement type of finite element. Further, the computer code is prepared (MATLAB environment) using the derived higher-order formulation in association with the direct iterative technique for the computation of temperature carrying capacity of the soft-core sandwich within the post-buckled regime. Further, the nonlinear finite element model has been tested to show its accuracy by solving a few numerical experimentations as same as the published example including the consistency behaviour. Lastly, the derived model is utilized to find the temperature load-carrying capacity under the influences of variable factors affecting the soft-core type sandwich structural design in the small (finite) strain and large deformation regime including the effect of tilt angle.
In this study, a wavelet-based covariance-driven system identification technique is proposed for damage assessment of structures under ambient excitation. Assuming the ambient excitation to be a white-noise process, the covariance computation is shown to be able to separate the effect of random excitation from the response measurement. Wavelet transform (WT) is then used to convert the covariance response in the time domain to the WT magnitude plot in the time-scale plane. The wavelet coefficients along the curves where energy concentrated are extracted and used to estimate the modal properties of the structure. These modal property estimations lead to the calculation of the stiffness matrix when either the spectral density of the random loading or the mass matrix is given. The predicted stiffness matrix hence provides a direct assessment on the possible location and severity of damage which results in stiffness alteration. To demonstrate the proposed wavelet-based damage assessment technique, a numerical example on a 3 degree-of-freedom (DOF) system and an experimental study on a three-story building model, which are all under a broad-band excitation, are presented. Both numerical and experimental results illustrate that the proposed technique can provide an accurate assessment on the damage location. It is however noted that the assessment of damage severity is not as accurate, which might be due to the errors associated with the mode shape estimations as well as the assumption of proportional damping adopted in the formulation.
This paper deals with the modal analysis of rotational shell structures by means of the numerical solution technique known as the Generalized Differential Quadrature (G. D. Q.) method. The treatment is conducted within the Reissner first order shear deformation theory (F. S. D. T.) for linearly elastic isotropic shells. Starting from a non-linear formulation, the compatibility equations via Principle of Virtual Works are obtained, for the general shell structure, given the internal equilibrium equations in terms of stress resultants and couples. These equations are subsequently linearized and specialized for the rotational geometry, expanding all problem variables in a partial Fourier series, with respect to the longitudinal coordinate. The procedure leads to the fundamental system of dynamic equilibrium equations in terms of the reference surface kinematic harmonic components. Finally, a one-dimensional problem, by means of a set of five ordinary differential equations, in which the only spatial coordinate appearing is the one along meridians, is obtained. This can be conveniently solved using an appropriate G. D. Q. method in meridional direction, yielding accurate results with an extremely low computational cost and not using the so-called "delta-point" technique.
This paper describes the procedure to predict steady and unsteady performances of a contrarotating propeller(CRP) by a mixed formulation of the boundary value problem(BVP) far the flow around a CRP. The blade BVP is treated by a classical vortex lattice method, whereas the hub BVP is solved by a potential-based panel method. Blades and trailing wakes are represented by a vortex and/or source lattice system, and hubs are represented by normal dipole and source distributions. Both forward and aft propellers are solved simultaneously, thus treating the interaction effect without iteration. The unsteady performance is computed directly in time domain. The new numerical procedure requires a large amount of storage and computing time, which is however no longer a limit in a modern computer system. Sample computations show that the steady performance compares very well with the experiments. The predicted unsteady behavior shows that the dominant harmonics of the total forces are multiples of not only the number of blades of the forward and aft propellers but also the product of both blade numbers. The magnitude of the latter harmonics, present also in uniform oncoming flow, may reach abort 50% of the mean torque for the aft propeller, which in turn may cause a serious vibration problem in the complicated contrarotating shafting system.
Nguyen, Anh P.;Banh, Thanh T.;Lee, Dongkyu;Lee, Jaehong;Kang, Joowon;Shin, Soomi
Steel and Composite Structures
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v.29
no.5
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pp.635-645
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2018
Beam-column joints play a significant role in static and dynamic performances of reinforced concrete frame structures. This study contributes a numerical approach of topologically optimal design of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) to retrofit existing beam-column connections with crack patterns. In recent, CFRP is used commonly in the rehabilitation and strengthening of concrete members due to the remarkable properties, such as lightweight, anti-corrosion and simplicity to execute construction. With the target to provide an optimal CFRP configuration to effectively retrofit the beam-column connection under semi-failure situation such as given cracks, extended finite element method (X-FEM) is used by combining with multi-material topology optimization (MTO) as a mechanical description approach for strong discontinuity state to mechanically model cracked structures. The well founded mathematical formulation of topology optimization problem for cracked structures by using multiple materials is described in detail in this study. In addition, moved and regularized Heaviside functions (MRHF), that have the role of a filter in multiple materials case, is also considered. The numerical example results illustrated in two cases of beam-column joints with stationary cracks verify the validity, benefit and supremacy of the proposed method.
Plate anchors are generally used for structures like transmission towers, mooring systems etc. where the uplift and lateral forces are expected to be predominant. The capacity of anchor plate can be increased by the use of geosynthetics without altering the size of plates. Numerical simulations have been carried out on three different sizes of square anchor plates. A single layer geosynthetic has been used as reinforcement in the analysis and placed at three different positions from the plate. The effects of various parameters like embedment ratio, position of reinforcement, width of reinforcement, frequency and loading amplitude on the pull out capacity have been presented in this study. The load-displacement behaviour of anchors for various embedment ratios with and without reinforcement has been also observed. The pull out load, corresponding to a displacement equal to each of the considered maximum amplitudes of a given frequency, has been expressed in terms of a dimensionless breakout factor. The pull out load for all anchors has been found to increase by more than 100% with embedment ratio varying from 1 to 6. Finally a semi empirical formulation for breakout factor for square anchors in reinforced soil has also been proposed by carrying out regression analysis on the data obtained from numerical simulations.
Kim, Ki Hyun;Hong, Kee-Jeung;Cho, Sung Gook;Park, Woong Ki
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.23
no.5
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pp.279-288
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2019
Safety-related cabinets and their electrical parts, such as relays and switches in nuclear power plants, should maintain continuous functioning, as well as structural safety according to the nuclear regulatory guidelines. Generally, an electrical part is qualified if its functioning is maintained without abnormality during excitement by motion compatible with the test response spectrum, which is larger than its in-cabinet response spectrum (ICRS). ICRS can be determined by shake-table test or dynamic analysis. Since existing cabinets in use can hardly be stopped and moved, dynamic analysis is preferred over shake-table test in determining ICRS. The simple method, suggested by the Electric Power Research Institute (EPRI) to determine ICRS, yields conservative or non-conservative results from time to time. In order to determine that the ICRS is better than EPRI method in a simple way, Ritz method considering global and local plate behaviors was suggested by Gupta et al. In this paper, the Ritz method is modified in order to consider the rocking and frame behaviors simultaneously, and it is applied to a simple numerical example for verification. ICRS is determined by Ritz method and compared with the results by finite element method (FEM). Based on this numerical example, recommendations for using Ritz method are suggested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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