A Jacobian-Free Newton Krylov Two-Nodal Coarse Mesh Finite Difference algorithm based on Nodal Expansion Method (NEM_TNCMFD_JFNK) is successfully developed and proposed to solve the three-dimensional (3D) and multi-group reactor physics models. In the NEM_TNCMFD_JFNK method, the efficient JFNK method with the Modified Incomplete LU (MILU) preconditioner is integrated and applied into the discrete systems of the NEM-based two-node CMFD method by constructing the residual functions of only the nodal average fluxes and the eigenvalue. All the nonlinear corrective nodal coupling coefficients are updated on the basis of two-nodal NEM formulation including the discontinuity factor in every few newton steps. All the expansion coefficients and interface currents of the two-node NEM need not be chosen as the solution variables to evaluate the residual functions of the NEM_TNCMFD_JFNK method, therefore, the NEM_TNCMFD_JFNK method can greatly reduce the number of solution variables and the computational cost compared with the JFNK based on the conventional NEM. Finally the NEM_TNCMFD_JFNK code is developed and then analyzed by simulating the representative PWR MOX/UO2 core benchmark, the popular NEACRP 3D core benchmark and the complicated full-core pin-by-pin homogenous core model. Numerical solutions show that the proposed NEM_TNCMFD_JFNK method with the MILU preconditioner has the good numerical accuracy and can obtain higher computational efficiency than the NEM-based two-node CMFD algorithm with the power method in the outer iteration and the Krylov method using the MILU preconditioner in the inner iteration, which indicates the NEM_TNCMFD_JFNK method can serve as a potential and efficient numerical tool for reactor neutron diffusion analysis module in the JFNK-based multiphysics coupling application.
Han, Bin;Sun, J.B.;Heidarzadeh, Milad;Jam, M.M. Nemati;Benjeddou, O.
Steel and Composite Structures
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v.41
no.5
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pp.761-773
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2021
This study presents a 3D non-linear finite element (FE) assessment of dynamic soil-structure interaction (SSI). The numerical investigation has been performed on the time domain through a Finite Element (FE) system, while considering the nonlinear behavior of soil and the multi-directional nature of genuine seismic events. Later, the FE outcomes are analyzed to the recorded in-situ free-field and structural movements, emphasizing the numerical model's great result in duplicating the observed response. In this work, the soil response is simulated using an isotropic hardening elastic-plastic hysteretic model utilizing HSsmall. It is feasible to define the non-linear cycle response from small to large strain amplitudes through this model as well as for the shift in beginning stiffness with depth that happens during cyclic loading. One of the most difficult and unexpected tasks in resolving soil-structure interaction concerns is picking an appropriate ground motion predicted across an earthquake or assessing the geometrical abnormalities in the soil waves. Furthermore, an artificial neural network (ANN) has been utilized to properly forecast the non-linear behavior of soil and its multi-directional character, which demonstrated the accuracy of the ANN based on the RMSE and R2 values. The total result of this research demonstrates that complicated dynamic soil-structure interaction processes may be addressed directly by passing the significant simplifications of well-established substructure techniques.
In past major earthquakes (1994 Northridge, 1995 Kobe, Chi-Chi 1999, Kocaeli 1999), significant damages occurred in the liquid storage tanks. The basic failure patterns were observed to be the buckling of the tank wall and uplift of the anchorage system. The damages in the industrial facilities and nuclear power plants have caused the spread of toxic substances to the environment and significant fires. Seismic isolation can be used in liquid storage tanks to decouple the structure and decrease the structural demand in the superstructure in case of ground shaking. Previous studies on the use of seismic isolation systems on liquid storage tanks show that an isolation system reduces the impulsive response but might slightly increase the convective one. There is still a lack of understanding of the seismic response of seismically isolated liquid storage tanks considering the fluid-structure interaction. In this study, one broad tank, one medium tank, and one slender tank are selected and designed. Two- and three-dimensional elastomeric bearings are used as seismic isolation systems. The seismic performance of the tanks is then investigated through nonlinear dynamic time-history analyses. The effectiveness of each seismic isolation system on tanks' performance was investigated. Isolator tension forces, modal analysis results, hydrodynamic stresses, strains, sloshing heights and base shear forces of the tanks are compared. The results show that the total base shear is lower in 3D-isolators compared to 2D-isolators. Even though the tank wall stresses, and strains are slightly higher in 3D-isolators, they are more efficient to prevent the tension problem.
This paper presents a logarithmic shear deformation theory to study the thermal buckling response of power-law FG one-dimensional structures in thermal conditions with different boundary conditions. It is assumed that the functionally graded material and thermal properties are supposed to vary smoothly according to a contentious function across the vertical direction of the beams. A P-FG type function is employed to describe the volume fraction of material and thermal properties of the graded (1D) beam. The Ritz model is employed to solve the thermal buckling problems in immovable boundary conditions. The outcomes of the stability analysis of FG beams with temperature-dependent and independent properties are presented. The effects of the thermal loading are considered with three forms of rising: nonlinear, linear and uniform. Numerical results are obtained employing the present logarithmic theory and are verified by comparisons with the other models to check the accuracy of the developed theory. A parametric study was conducted to investigate the effects of various parameters on the critical thermal stability of P-FG beams. These parameters included support type, temperature fields, material distributions, side-to-thickness ratios, and temperature dependency.
The experimental and numerical investigations on the failure characteristics of the secondary bonded composite single-lap joints were performed. The initiations and growths of cracks were observed using CCD camera and acoustic emission sensor during the tension tests of the joint specimens. The structural behaviors of the specimens were predicted by the geometric nonlinear two-dimensional finite element analysis. The three types of observed initial cracks were included in each finite element models and the strain energy release rates of each specimen models were calculated by VCCT(Virtual Crack Closure Technique) technique. The tension tests showed that the initial cracks occurred in the 60∼90% of final failure loads and the major failure modes of the specimens were adhesive failure and the delamination between the 1st and 2nd ply of laminate. The specimens with the thicker bondline had earlier crack initiation loads but higher crack propagation resistance and eventually better loading capability. The delaminations were mostly observed in the thicker bondline specimens. The mode I values of calculated strain energy release rates were higher than the mode II values in the all specimen models considering the three types of initial cracks. The mode I and total strain energy release rates were calculated as higher values in the order of initial crack in the edge interface, comer interface and delamination between the plies of laminate.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.4
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pp.21-32
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2004
A Seismic analysis procedure of bi-directional brideg motions is developed by using mechanical bridge model. A three-dimensional mechanical model can consider major phenomena under bi-directional seismic excitations, such as nonlinear pier motion under biaxial bending, pounding and bearing damage due to the rotaion of the superstructure, etc. The analyses utilizing the uni-directional and the bi-directional bridge model for the 3-span simply supported bridge are then performed. The seismic responses in two cases are examined and compared by investigating the relative displacements of each superstructure to both ground and adjacent superstructures and the restoring forces of RC pier. The analysis using either the uni-directional model or bi-directional model is acceptable for estimating the displacement responses of a bridge, but the bi-directional analysis is found to give more conservative results for resisting forces of RC piers. To make general conclusions, therefore, the analysis using the bi-directional bridge model should be performed in evaluating the seismic safety of bridges.
The objective of this paper is the establishment of finite element analysis frame work for pavement research. Finite element analysis results simulating various loading experiments are verified with sensor measurements obtained from the KHC Test Road. The accuracy of the finite element analysis can be supported by these efforts so that it helps spread out the finite element analysis to pavement research and design processes. The finite element model used in this research is the full 3D nonlinear model including concrete slab, lean concrete base, subbase, shoulder, dowel, and tie-bar. In order to accomplish the accurate verification, the loading condition and the pavement temperature distribution are exactly simulated with field measured data. The curling behavior and the strain distribution are compared with measured responses from the loading tests with a truck and the FWD. Strain and curling predictions from the concrete slab are matched well with measured responses but the strain prediction from the lean concrete base is not matched with measured response. In addition, the magnitude of permanent curling is evaluated with the finite element analysis.
Due to the long tectonic history and the very complex geologic formations in Korea, the anisotropic characteristics of subsurface material may often change very greatly and locally. The algorithms commonly used, however, may not give sufficiently precise computational results of traveltime data particularly for the complex and strong anisotropic model, since they are based on the two-dimensional (2D) earth and/or weak anisotropy assumptions. This study is intended to develope a three-dimensional (3D) modeling algorithm to precisely calculate the first arrival time in the complex anisotropic media. Considering the complex geology of Korea, we assume 3D TTI (tilted transversely isotropy) medium having the arbitrary symmetry axis. The algorithm includes the 2D non-linear interpolation scheme to calculate the traveltimes inside the grid and the 3D traveltime mapping to fill the 3D model with first arrival times. The weak anisotropy assumption, moreover, can be overcome through devising a numerical approach of the steepest descent method in the calculation of minimum traveltime, instead of using approximate solution. The performance of the algorithm developed in this study is demonstrated by the comparison of the analytic and numerical solutions for the homogeneous anisotropic earth as well as through the numerical experiment for the two layer model whose anisotropic properties are greatly different each other. We expect that the developed modeling algorithm can be used in the development of processing and inversion schemes of seismic data acquired in strongly anisotropic environment, such as migration, velocity analysis, cross-well tomography and so on.
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography
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v.33
no.1
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pp.31-43
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2015
This study had been aimed to conduct the camera calibration on VLBI antenna in the Space Geodetic Observation Center of Sejong City with a low-cost digital camera, which embedded in a mobile phone to determine the three-dimension position coordinates of the VLBI antenna, based on stereo images. The initial values for the camera calibration have been obtained by utilizing the Direct Linear Transformation algorithm and the commercial digital photogrammetry system, PhotoModeler $Scanner^{(R)}$ ver. 6.0, respectively. The accuracy of camera calibration results was compared with that the camera calibration results, acquired by a bundle adjustment with nonlinear collinearity condition equation. Although two methods showed significant differences in the initial value, the final calibration demonstrated the consistent results whichever methods had been performed for obtaining the initial value. Furthermore, those three-dimensional coordinates of feature points of the VLBI antenna were respectively calculated using the camera calibration by the two methods to be compared with the reference coordinates obtained from a total station. In fact, both methods have resulted out a same standard deviation of $X=0.004{\pm}0.010m$, $Y=0.001{\pm}0.015m$, $Z=0.009{\pm}0.017m$, that of showing a high degree of accuracy in centimeters. From the result, we can conclude that a mobile phone camera opens up the way for a variety of image processing studies, such as 3D reconstruction from images captured.
This study examined structural analysis of supports in tunnel and displacement and underground stress of tunnel by measurement, in order to evaluate the performance of high-strength lattice girders developed as a substitute for H-profiles. According to the three-dimensional nonlinear structural analysis results of the tunnel support, the load and displacement relationship between the H-profiles and the high-strength lattice girders showed almost the same behavior, and the maximum load of the high-strength lattice girders were 1.0 to 1.2 times greater than the H-profiles. By the results of the three-dimensional tunnel cross-section analysis of the supports, the axial force was occurred largely in the lower left and right sides of the tunnel, and showed a similar trend to the field test values. In the results of the measurement of the roof settlement and rod extension, the final displacement of the steel arch rib (H-profile) and high-strength lattice girder section in tunnel was converged to a constant value without significant difference within the first management standard of 23.5 mm. According to the results of underground displacement measurement, the final change amount of the two support sections showed a slight displacement change, but converged to a constant value within the first management standard of 10 mm. By the results of measurement of shotcrete stress and steel arch rib stress, the final change amount of the two support sections showed a slight stress change, but converged to a constant value within the first management standard of 81.1 kg/㎠ and 54.2 tonf.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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