KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.3
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pp.7-17
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1990
The objective of this paper is to provide a method of optimizing are as of the members as well as shape of both truss and arch structures. The design process includes satisfaction of stress and Euler buckling stress constraints for truss and combined stress constraints for arch structures. In order to reduce the number of detailed finite element analysis, the Force Approximation Method is used. A finite element analysis of the initial structure is performed and the gradients of the member end forces are calculated with respect to the areas and nodal coordinates. The gradients are used to form an approximate structural analysis based on first order Taylor series expansions of the member end forces. Using move limits, a numerical optimizer minimizes the volume of the structure with information from the approximate structural analysis. Numerical examples are performed and compared with other methods to demonstrate the efficiency and reliability of the Force Approximation Method for shape optimization. It is shown that the number of finite element analysis is greatly reduced and that it leads to a highly efficient method of shape optimization of structures.
In this study, a non-stationary random earthquake Clough-Penzien model is used to describe earthquake ground motion. Using stochastic direct integration in combination with an equivalent linear method, a solution is established to describe the non-stationary response of lead-rubber bearing (LRB) system to a stochastic earthquake. Two parameters are used to develop an optimization method for bearing design: the post-yielding stiffness and the normalized yield strength of the isolation bearing. Using the minimization of the maximum energy response level of the upper structure subjected to an earthquake as an objective function, and with the constraints that the bearing failure probability is no more than 5% and the second shape factor of the bearing is less than 5, a calculation method for the two optimal design parameters is presented. In this optimization process, the radial basis function (RBF) response surface was applied, instead of the implicit objective function and constraints, and a sequential quadratic programming (SQP) algorithm was used to solve the optimization problems. By considering the uncertainties of the structural parameters and seismic ground motion input parameters for the optimization of the bearing design, convex set models (such as the interval model and ellipsoidal model) are used to describe the uncertainty parameters. Subsequently, the optimal bearing design parameters were expanded at their median values into first-order Taylor series expansions, and then, the Lagrange multipliers method was used to determine the upper and lower boundaries of the parameters. Moreover, using a calculation example, the impacts of site soil parameters, such as input peak ground acceleration, bearing diameter and rubber shore hardness on the optimization parameters, are investigated.
In recent years, due to the many advantages cable-stayed bridges have often constructed in medium and long span. These advantages can be listed as an aesthetically pleasing appearance, economic and easy construction, etc. The main structural elements of cable-stayed bridges are listed as deck, pylon, cables and foundation. Perhaps one of the most vital and expensive of these structural elements is stay-cables. Stay-cables ensure the allowable displacement and distribution of bending moments along the bridge deck with prestressing force. Therefore the optimum design of the stay-cables and prestressing force are very important in achieving the performance expected from the cable-stayed bridges. This paper aims to obtain the stay-cables size and prestressing force optimization of the cable-stayed bridge. For this purpose, single pylon and fan type cable configuration Manavgat Cable-Stayed Bridge was selected as an example. The three dimensional (3D) finite element model (FEM) of the bridge was created with SAP2000. Analysis of the 3D FEM of the bridge was conducted under the different combined effects of the self-weight of the structural element, prestressing force of stay-cable and live load. Stay-cable stress and deck displacement were taken into account as constraints for the optimization problem. To optimize this existing bridge a metaheuristic algorithm named Jaya was used in the optimization process. 3D FEM of the selected bridge was repeatedly analyzed by using Open Applicable Programming Interface (OAPI) properties of SAP2000. To carry out the optimization process the developed program which integrates the Jaya algorithm and the required codes for calling SAP2000 is coded in MATLAB. At the end of the study, the total weight of the stay-cables was reduced more than 40% according to existing stay cables under loads taken into account.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.1
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pp.71-78
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2014
Door hinges of large refrigerators are required to ensure that the doors open and close smoothly in addition to supporting door weights and enduring the impact loads due to door opening and closing. However, door hinge design is difficult because of complex hinge mechanisms and sensitive structural safety. In this study, the mechanism satisfying the required spring response, space constraints, and structural strength is optimized, and the volume of the outer frame covering the hinge mechanism is minimized for reducing production costs. The entire design process is automated using the PIDO(Progress Integration and Design Optimization) technique, which achieves an efficient design process. Therefore, the frame mass is reduced to 24%, and the mechanism performance and structural stability are improved.
Binder harvesters introduced to Korea were originally designed to be used for Japonica varieties which are highly resistant to shattering. In order to improve the performance of the binder to Indica varieties which are easily shattered and have shorter stem, mechanical modifications of the binder are inevitable. Shattering losses of the binder can be classified into two major parts; one incurred before and one after binding operations. The latter has been evaluated as great as the former. Previous studies indicated that the high discharge losses resulted from a great impact force of the discharge arm on the rice bundle during the discharge process. This study was intended to theoretically analyze the discharge mechanism of four-bar linkage. For this purpose, two commercially available binder harvesters having a four-bar linkage as a discharge mechanism were analyzed. Using the results from the motion analysis and the other structural constraints of the machines, they were modified and experimentally compared with the machines without modification to see whether any decrease in grain losses was obtained. The results obtained in this study are summarized as follows: 1. The path, velocity and acceleration of discharge arm were computer analyzed by vector analysis. Using results of the analysis and intrinsic constraints of the binder, discharge mechanism was modified to reduce the impact force on bundle by discharge arm in the range where the discharge performance was not deteriorated. This modification of the discharge mechanism could be done with an aid of four-bar linkage synthesis technique. As a result, average velocity and acceleration of the discharge arm during the discharge process were reduced respectively by 19 percent and 33 percent for binder A, and 17 percent and 35 percent for binder B. 2. Through the modification of the discharge mechanism, discharge losses of binder A were reduced by 42-56 percent for Milyang 23, Poongsan and Hangang chal, and discharge losses of binder B were reduced by 13-20 percent for Milyang 23 and Poongsan. 3. Discharge losses were decreased as the bundle size became larger and the size effect on the decrease rate appeared more significant in the binders with modifications than in those without modifications.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.2
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pp.459-470
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2014
During ship design, welding-induced distortions are roughly estimated as a function of the size of the component as well as the welding process and residual stresses are assumed to be locally in the range of the yield stress. Existing welding simulation methods are very complex and time-consuming and therefore not applicable to large structures like ships. Simplified methods for the estimation of welding effects were and still are subject of several research projects, but mostly concerning smaller structures. The main goal of this paper is the application of a multi-layer welding simulation to the block joint of a ship structure. When welding block joints, high constraints occur due to the ship structure which are assumed to result in accordingly high residual stresses. Constraints measured during construction were realized in a test plant for small-scale welding specimens in order to investigate their and other effects on the residual stresses. Associated welding simulations were successfully performed with fine-mesh finite element models. Further analyses showed that a courser mesh was also able to reproduce the welding-induced reaction forces and hence the residual stresses after some calibration. Based on the coarse modeling it was possible to perform the welding simulation at a block joint in order to investigate the influence of the resulting residual stresses on the behavior of the real structure, showing quite interesting stress distributions. Finally it is discussed whether smaller and idealized models of definite areas of the block joint can be used to achieve the same results offering possibilities to consider residual stresses in the design process.
Scientific literature studies irradiated graphite treatment. Research also covers graphite conditioning and its long-term behavior under disposal conditions. The European Commission's CARBOWASTE project, titled "Treatment and disposal of irradiated graphite and other carbonaceous waste", is a key reference for state-of-the-art studies on alternative solutions. It identified 24 strategic options for managing irradiated graphite throughout its complete life cycle. The methodology proposed in this paper entails the application of the Analytic Hierarchy Process (AHP) method to rank the 24 options, placing particular emphasis on the weighting of seven criteria for selecting management options for the irradiated graphite. The highest weights were assigned by experts to 'environment and public safety' (28.05 %) and 'worker safety' (26.16 %). The objective is to develop a standardized approach enabling waste management companies to identify the most appropriate management option, considering structural and legislative constraints in their operating country. Examining the study findings, option 19 "In-situ entombment" stands out as the best choice in both the CARBOWASTE project and the proposed methodology. Thus, this methodology could assist hypothetical entities in examining management options for irradiated graphite, with the aim of identifying the optimal solution for graphite waste disposal.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.4
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pp.27-37
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1993
An efficient method to solve the minimum weight design problem for frame structures subjected to stress and displacement constraints is presented. The different cross-sectional shapes are conside red in order to apply engineering design in which usually required custom fabrication. To increase the efficiency of the optimization process, the structural response quantities(nodal forces, displacements) are linearized with respect to cross-sectional properties or their reciprocal, based on first order Taylor series expansion, while cross-sectional dimensions are considered as design variables. Numerical examples are performed and compared with other methods to demonstrate the efficiency and reliability of approximation method for frame structural optimization with different cross-sectional shapes. It is shown that the number of finite element analysis is greatly reduced and it leads to a highly efficient method of optimization of frame structures.
Composite beams with corrugated steel webs represent a new innovative system which has emerged in the past decade for medium span in the construction technology. The use of composite beams with corrugated steel webs results in a range of benefits, including flexible spaces and reduced foundation costs in the construction technology. The thin corrugated web affords a significant weight reduction of these beams, compared with hot-rolled or welded ones. In the current research, an optimal designed I-girder beam with corrugated web has been proposed to improve the structural performance of continuous composite girder under bending moment. The experimental program has been conducted for six simply supported composite beams with different loading conditions. The tested specimens are designed by using one of the stochastic techniques called hunting search algorithm. In the optimization process, besides the thickness of concrete slab and studs, corrugated web properties are considered as design variables. The design constraints are respectively implemented from Eurocode 3, BS-8110 and DIN 18-800 Teil-1. The last part of the study focuses on performing a numerical study on composite beams by utilizing finite element analysis and the bending behavior of steel girders with corrugated webs experimentally and numerically verified the results. A nonlinear analysis was carried out using the finite element software ANSYS on the composite beams which were modelled using the elements ten-node high order quadrilateral type.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.10
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pp.1621-1626
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2001
The structural optimization have been carried out in the continuous design space or in the discrete design space. Methods fur discrete variables such as genetic algorithms , are extremely expensive in computational cost. In this research, an iterative optimization algorithm using orthogonal arrays is developed for design in discrete space. An orthogonal array is selected on a discrete des inn space and levels are selected from candidate values. Matrix experiments with the orthogonal array are conducted. New results of matrix experiments are obtained with penalty functions leer constraints. A new design is determined from analysis of means(ANOM). An orthogonal array is defined around the new values and matrix experiments are conducted. The final optimum design is found from iterative process. The suggested algorithm has been applied to various problems such as truss and frame type structures. The results are compared with those from a genetic algorithm and discussed.
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