Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.5
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pp.521-532
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2007
Elastic wave propagations in the semi-infinite transversely isotropic cylinder under various kinds of longitudinal impact loads are analyzed using the axisymmetric finite element method and Houbolt time-integration scheme. For which the finite element program is newly constructed and verified through the comparison of present numerical results with those by other researchers. E-type glass-epoxy composite cylinders with different fiber volume fractions are adopted and studied in detail with dynamic responses of the isotropic cylinder. Three dimensional wave motions are given in graphic form to show the realistic view of the wave propagation. Nondimensionalized dynamic characteristic variables which relate the size of finite element mesh, the time step, and the wave speed are presented for obtaining accurate and stable numerical results.
In order to minimize the impact of water hammer In a pipeline, a determination of optimum position of hydraulic structures with best operation of pressure relief valve was explored at the Seobyun pumping station. Method of characteristics is used to simulate a surge impact originating from abrupt stop of pumping operation in a pipeline. Genetic algorithm shows a powerful capability in searching a global solution, especially for a nonlinear problem The application results suggests that the maximum positive pressure can be relaxed by decreasing the opening time of pressure relief valve, meanwhile the maximum negative pressure can be relaxed by increasing the opening time of pressure relief valve. This study shows that the integration of a genetic algorithm with a transient analysis technique such as method of characteristic can improve the design of hydraulic structure in a pipe network.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.11
no.1
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pp.10-18
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2010
The purpose of this paper deals with direct multiple-shooting method (DMS) to resolve helicopter maneuver problems of helicopters. The maneuver problem is transformed into nonlinear problems and solved DMS technique. The DMS method is easy in handling constraints and it has large convergence radius compared to other strategies. When parameterized with piecewise constant controls, the problems become most effectively tractable because the search direction is easily estimated by solving the structured Karush-Kuhn-Tucker (KKT) system. However, generally the computation of function, gradients and Hessian matrices has considerably time-consuming for complex system such as helicopter. This study focused on the approximation of the KKT system using the matrix exponential and its integrals. The propose method is validated by solving optimal control problems for the linear system where the KKT system is exactly expressed with the matrix exponential and its integrals. The trajectory tracking problem of various maneuvers like bob up, sidestep near hovering flight speed and hurdle hop, slalom, transient turn, acceleration and deceleration are analyzed to investigate the effects of algorithmic details. The results show the matrix exponential approach to compute gradients and the Hessian matrix is most efficient among the implemented methods when combined with the mixed time integration method for the system dynamics. The analyses with the proposed method show good convergence and capability of tracking the prescribed trajectory. Therefore, it can be used to solve critical areas of helicopter flight dynamic problems.
Coupled thermo-mechanical analysis of reinforced concrete slab at elevated temperatures from a fire accounting for nonlinear thermal parameters is carried out. The main focus of the paper is put on a one-way continuous reinforced concrete slab exposed to fire from the single (bottom) side as the most typical working condition under fire loading. Although contemporary techniques alongside the fire protection measures are in constant development, in most cases it is not possible to avoid the material deterioration particularly nearby the exposed surface from a fire. Thereby the structural fire resistance of reinforced concrete slabs is mostly influenced by a relative distance between reinforcement and the exposed surface. A parametric study with variable concrete cover ranging from 15 mm to 35 mm is performed. As the first part of a one-way coupled thermo-mechanical analysis, transient nonlinear heat transfer analysis is performed by applying the net heat flux on the exposed surface. The solution of proposed heat analysis is obtained at certain time steps of interest by α-method using the explicit Euler time-integration scheme. Spatial discretization is done by the finite element method using a 1D 2-noded truss element with the temperature nodal values as unknowns. The obtained results in terms of temperature field inside the element are compared with available numerical and experimental results. A high level of agreement can be observed, implying the proposed model capable of describing the temperature field during a fire. Accompanying thermal analysis, mechanical analysis is performed in two ways. Firstly, using the guidelines given in Eurocode 2 - Part 1-2 resulting in the fire resistance rating for the aforementioned concrete cover values. The second way is a fully numerical coupled analysis carried out in general-purpose finite element software DIANA FEA. Both approaches indicate structural fire behavior similar to those observed in large-scale fire tests.
In this study, a combined unsteady friction model has been developed to simulate the waterhammer phenomenon for the pipeline system. The method of characteristics has been employed as the modeling platform for the integration of the acceleration based model and the frequency dependant model for unsteady friction. Both Zielke's model and Ramos model were also compared with pressure measurements of a pilot plant pipeline system. In order to validate the modeling approach, a pipeline system equipped with the high frequency pressure data acquisition system was fabricated. The time series of pressure, introduced by a sudden valve closure, were obtained for two Reynolds numbers. A trial and error method was used to calibrate parameters for unsteady friction model. The comparison between different unsteady friction contributions in pressure variation provided the comprehensive understanding in the pressure damping mechanism of waterhammer. The proper evaluation of unsteady friction impact is a critical factor for accurate simulation of hydraulic transient.
The dynamic performance of air foil bearings relies on a coupling between a thin air film and an elastic foil structure. A number of successful analytical techniques to predict dynamic performance have been developed. However, the evaluation of its dynamic characteristic is still not enough because of the mechanical complexity of the foil structure and strong nonlinear behavior of friction force. This work presents a nonlinear transient analysis method to predict dynamic performance of foil bearings. In this method, time dependent Reynolds equation is used to calculate pressure distribution and a finite element method is used to model the bump foil structure. The analysis is treated with a direct implicit integration technique that can handle nonlinear problems and the stick-slip algorithm is used to consider friction force. Using this method the response to the mass unbalance excitation is investigated for various design parameters and operating conditions. The results of analysis show that foil bearing is very effective on the restriction of vibration at the resonance frequency compared to the rigid surface bearings and the effectiveness depends on the operating conditions, static load and a amount of mass unbalance. In addition, there exist optimum values of friction coefficient, bump foil stiffness and number of circumferential slit with regards to minimizing dynamic response at the resonance frequency. These optimum values are system dependent.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.2
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pp.139-148
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2012
The MLS(Moving Least Squares) Difference Method is a numerical scheme that combines the MLS method of Meshfree method and Taylor expansion involving not numerical quadrature or mesh structure but only nodes. This paper presents an dynamic algorithm of MLS difference method for solving transient solid mechanics problems. The developed algorithm performs time integration by using Newmark method and directly discretizes strong forms. It is very convenient to increase the order of Taylor polynomial because derivative approximations are obtained by the Taylor series expanded by MLS method without real differentiation. The accuracy and efficiency of the dynamic algorithm are verified through numerical experiments. Numerical results converge very well to the closed-form solutions and show less oscillation and periodic error than FEM(Finite Element Method).
The one-dimensional Two-Fluid concept uses an area-average approach to simplify the time and phase-averaged Two-Fluid conservation equations, making it more suitable for addressing difficulties at an industrial scale. Nevertheless, the mathematical framework has inherent weaknesses due to the loss of details throughout the averaging procedures. This limitation makes the conventional model inappropriate for some flow regimes, where short-wavelength perturbations experience uncontrolled amplification, leading to solutions that need to be physically accurate. The critical factor in resolving this problem is the integration of closure relations. These relationships play a crucial function in reintroducing essential physical characteristics, thus correcting the loss that occurs during averaging and guaranteeing the stability of the model. To improve the accuracy of predictions, it is essential to assess the stability and grid dependence of one-dimensional formulations, which are particularly affected by closure relations and numerical schemes. The current research presented in the text focuses on improving the well-posedness of the TFM, specifically within the TRACE code, which is widely utilized for nuclear reactor safety assessments. Incorporating a bubble collision model in the momentum equations is demonstrated to enhance the TFM's resilience, especially in scenarios with high void fractions where conventional TFMs may face challenges. The analysis presents a linear stability analysis performed for the transient one-dimensional Two-Fluid Model of system code TRACE within the framework of vertically dispersed flows. The main emphasis is on evaluating the stability characteristics of the model while also acknowledging its susceptibility to closure relations and numerical techniques.
This article describes a simplified mathematical model and the relevant numerical algorithm to simulate the draped cloth on virtual human body. The proposed algorithm incorporates an elliptical, or non-consecutive, method to simulate the cloth wrinkles on moving bodies without resorting to the result of the past time-steps of drape simulation. A global-local analysis technique was employed to decompose the drape of cloths into the global deformation and the local wrinkles that will be superposed linearly The global deformation is determined directly by the rotation and the translation of body parts to generate a wrinkle-free yet globally deformed shape of cloth. The local wrinkles are calculated by solving simple elliptical equations based on the orthogonality between conjugate harmonic functions representing the wrinkle amplitude and the direction of wrinkles. The proposed method requires no interpolative time frames even for discontinuous body postures. Standing away from the incremental approach of time integration in conventional methods, the proposed method yields a remarkable reduction of CPU time and an enhanced stability. Also, the transient motion of cloth could be achieved by interpolating between the deformations corresponding to each static posture.
Previous Earth Science textbooks have mostly lacked the latest astronomical phenomena frequently being reported in mass media such as popular science magazines. One of the main directions in the revision of the 2009 National Curriculum of Korea is to actively include those phenomena. Furthermore, despite a close link between astronomy and physics, the concept of modern physics has not been actively introduced in Earth Science textbooks and at the same time the linkage of physics to astronomy has rarely been studies in physics textbooks. Therefore, the concept of integration among different fields in science is emphasized in the new National Curriculum. Transient phenomena in the high energy astrophysical objects are examples that reflect such issue. The purpose of this study is to introduce transferring a real-time data and making imaging of astronomical observations using e-Science. As a first step, we performed the first experiment for a large data transfer of astronomical observation between Korea and Japan using KOREN, a National Research and Education Test Network. We introduce actively on-going fields of e-Science in observational activities of astronomy and astrophysics, and their close interrelationship with scientific inquiry activities and public outreach activities. We discuss our experiment in the scientific and educational aspects to the primitive e-Science activity in the Korean astronomical society and, in turn, provide a prospective view for its application to the scientific inquiry activities and public outreach activities in the upcoming commercial Gbps-level internet environments.
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