Exact dynamic stiffness model for a uniform straight pipeline conveying unsteady fluid is formulated from a set of fully coupled pipe-dynamic equations of motion, in which the fluid pressure and velocity of internal flow as well as the transverse and axial displacements of the pipeline are all treated as dependent variables. The accuracy of the dynamic stiffness model formulated herein is first verified by comparing its solutions with those obtained by the conventional finite element model. The spectral element analysis based on the present dynamic stiffness model is then conducted to investigate the effects of fluid parameters on the dynamics and stability of an example pipeline problem.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1997.10a
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pp.402-407
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1997
For cylindrical shells, the closed-form solutions are limited only to the cases with special boundary and/or loading conditions. Though the finite element method is certainly a powerful solution approach for the general structural dynamics problems, it is known to provide reliable solutions only in the low frequency region due to the inherent high sensitivities of structural and numerical modeling errors. Instead, the spectral element method has been proved to provide extremely accurate dynamic responses even in the high frequency region. Since the wave characteristics of a cylindrical shell becomes identical to that of a flat plate as the frequency increases, an equivalent plate model (EPM) representing the high-frequency dynamic characteristics of a cylindrical shell is introduced herein. The EPM-based spectral element analysis solutions are compared with the known analytical solutions for the corresponding cylindrical shell to confirm the validity of the present modeling approach.
The dynamic response of two-dimensional unbounded domain on the rigid bedrock in the time domain is numerically obtained. It is realized by the modified scaled boundary finite element method (SBFEM) in which the original scaling center is replaced by a scaling line. The formulation bases on expanding dynamic stiffness by using the continued fraction approach. The solution converges rapidly over the whole time range along with the order of the continued fraction increases. In addition, the method is suitable for large scale systems. The numerical method is employed which is a combination of the time domain SBFEM for far field and the finite element method used for near field. By using the continued fraction solution and introducing auxiliary variables, the equation of motion of unbounded domain is built. Applying the spectral shifting technique, the virtual modes of motion equation are eliminated. Standard procedure in structural dynamic is directly applicable for time domain problem. Since the coefficient matrixes of equation are banded and symmetric, the equation can be solved efficiently by using the direct time domain integration method. Numerical examples demonstrate the increased robustness, accuracy and superiority of the proposed method. The suitability of proposed method for time domain simulations of complex systems is also demonstrated.
Various numerical methods in simulation of seismic wave propagation have been developed. Recently an innovative numerical method called as the Spectral Element Method (SEM) has been developed and used in wave propagation in 3-D elastic media. The SEM that easily implements the free surface of topography combines the flexibility of a finite element method with the accuracy of a spectral method. It is generally used a weak formulation of the equation of motion which are solved on a mesh of hexahedral elements based on the Gauss-Lobatto-Legendre integration rule. Variational formulations of velocity-stress motion are newly modified in order to implement ADE-PML (Auxiliary Differential Equation of Perfectly Matched Layer) in wave propagation in 3-D elastic media, because a general weak formulation has a difficulty in adapting CFS (Complex Frequency Shifted) PML (Perfectly Matched Layer). SEM of Velocity-Stress motion having ADE-PML that is very efficient in absorbing waves reflected from finite boundary is verified with simulation of 1-D and 3-D wave propagation.
Bayraktar, Alemdar;Altunisk, Ahmet Can;Sevim, Baris;Turker, Temel
Steel and Composite Structures
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v.7
no.6
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pp.487-502
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2007
In recent decades there has been a trend towards improved mechanical characteristics of materials used in footbridge construction. It has enabled engineers to design lighter, slender and more aesthetic structures. As a result of these construction trends, many footbridges have become more susceptible to vibrations when subjected to dynamic loads. In addition to this, some inherit modelling uncertainties related to a lack of information on the as-built structure, such as boundary conditions, material properties, and the effects of non-structural elements make difficult to evaluate modal properties of footbridges, analytically. For these purposes, modal testing of footbridges is used to rectify these problems after construction. This paper describes an arch type steel footbridge, its analytical modelling, modal testing and finite element model calibration. A modern steel footbridge which has arch type structural system and located on the Karadeniz coast road in Trabzon, Turkey is selected as an application. An analytical modal analysis is performed on the developed 3D finite element model of footbridge to provide the analytical frequencies and mode shapes. The field ambient vibration tests on the footbridge deck under natural excitation such as human walking and traffic loads are conducted. The output-only modal parameter identification is carried out by using the peak picking of the average normalized power spectral densities in the frequency domain and stochastic subspace identification in the time domain, and dynamic characteristics such as natural frequencies mode shapes and damping ratios are determined. The finite element model of footbridge is calibrated to minimize the differences between analytically and experimentally estimated modal properties by changing some uncertain modelling parameters such as material properties. At the end of the study, maximum differences in the natural frequencies are reduced from 22% to only %5 and good agreement is found between analytical and experimental dynamic characteristics such as natural frequencies, mode shapes by model calibration.
Rama Mohan Rao, A.;Appa Rao, T.V.S.R.;Dattaguru, B.
Structural Engineering and Mechanics
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v.14
no.6
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pp.625-647
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2002
Parallel execution of computational mechanics codes requires efficient mesh-partitioning techniques. These mesh-partitioning techniques divide the mesh into specified number of submeshes of approximately the same size and at the same time, minimise the interface nodes of the submeshes. This paper describes a new mesh partitioning technique, employing Genetic Algorithms. The proposed algorithm operates on the deduced graph (dual or nodal graph) of the given finite element mesh rather than directly on the mesh itself. The algorithm works by first constructing a coarse graph approximation using an automatic graph coarsening method. The coarse graph is partitioned and the results are interpolated onto the original graph to initialise an optimisation of the graph partition problem. In practice, hierarchy of (usually more than two) graphs are used to obtain the final graph partition. The proposed partitioning algorithm is applied to graphs derived from unstructured finite element meshes describing practical engineering problems and also several example graphs related to finite element meshes given in the literature. The test results indicate that the proposed GA based graph partitioning algorithm generates high quality partitions and are superior to spectral and multilevel graph partitioning algorithms.
This study explores a coefficient-based seismic capacity assessment method with a special emphasis on low-rise masonry in-filled (MI) reinforced concrete (RC) buildings subjected to earthquake motion. The coefficient-based method without requiring any complicated finite element analysis is a simplified procedure to assess the maximum spectral acceleration capacity of buildings. This paper first compares the fundamental periods of MI RC structures obtained, respectively, from experimental period data and empirical period-height formulas. The coefficient-based method for low-rise masonry buildings is then calibrated by the published experimental results obtained from shaking table tests. The comparison of the experimental and estimated results indicates that the simplified coefficient-based method can provide good approximations of the maximum spectral accelerations at peak loads of the low-rise masonry reinforced concrete buildings if a proper set of drift factors and initial fundamental vibration periods of structures are used.
In this paper, we study the first-order system least-squares (FOSLS) spectral method for parabolic partial differential equations. There were lots of least-squares approaches to solve elliptic partial differential equations using finite element approximation. Also, some approaches using spectral methods have been studied in recent. In order to solve the parabolic partial differential equations in parallel, we consider a parallel numerical method based on a hybrid method of the frequency-domain method and first-order system least-squares method. First, we transform the parabolic problem in the space-time domain to the elliptic problems in the space-frequency domain. Second, we solve each elliptic problem in parallel for some frequencies using the first-order system least-squares method. And then we take the discrete inverse Fourier transforms in order to obtain the approximate solution in the space-time domain. We will introduce such a hybrid method and then present a numerical experiment.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.16
no.11
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pp.1194-1200
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1991
The FEM is a computer-aided mathematical technique for obtaining approximate solution to the differential equations. The pointwise convergence defines the relationship between the mesh size and the tolerance. This will play an important role in improving quality of finite element approximate solution. In the paper. We evaluate the convergence on a certain unknown point with a 1-irregular mesh refinement and spectral order enrichment. This means that the degree of freedom is minimized within a tolerance.
We numerically investigate the effect of sunlight polarization on the absorption efficiency of V-shaped organic solar cells (VOSCs) using the finite element method (FEM). The spectral distribution of absorbance and the spatial distribution of power dissipation are calculated as a function of the folding angle for s-and p-polarized light. The absorption enhancement caused by the light-trapping effect was more pronounced for s-polarized light at folding angles smaller than $20^{\circ}$, where s-polarized light has a relatively larger reflectance than p-polarized light. On the other hand, the absorption efficiency for p-polarized light is relatively larger for folding angles larger than $20^{\circ}$, where the smaller reflectance at the interface of the VOSC is more important in obtaining high absorption efficiency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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