Ran Feng;Tao Yang;Zhenming Chen;Krishanu Roy;Boshan Chen;James B.P. Lim
Steel and Composite Structures
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v.46
no.3
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pp.353-366
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2023
This paper presents a finite-element analysis (FEA) of aluminum alloy rectangular hollow sections (RHSs) and square hollow sections (SHSs) with circular through-openings under three-point and four-point bending. First, a finite-element model (FEM) was developed and validated against the corresponding test results available in the literature. Next, using the validated FE models, a parametric study comprising 180 FE models was conducted. The cross-section width-to-thickness ratio (b/t) ranged from 2 to 5, the hole size ratio (d/h) ranged from 0.2 to 0.8 and the quantity of holes (n) ranged from 2 to 6, respectively. Third, results obtained from laboratory test and FEA were compared with current design strengths calculated in accordance with the North American Specifications (NAS), the modified direct strength method (DSM) and the modified Continuous strength method (CSM). The comparison shows that the modified CSM are conservative by 15% on average for aluminum alloy RHSs and SHSs with circular through-openings subject to bending. Finally, a new design equation is proposed based on the modified CSM after being validated with results obtained from laboratory test and FEA. The proposed design equation can provide accurate predictions of flexural capacities for aluminum alloy RHSs and SHSs with circular through-openings.
Shored Mechanically Stabilized Earth (SMSE) walls are types of soil retaining structures that increase soil stability under static and dynamic loads. The damage caused by an earthquake can be determined by evaluating the probabilistic seismic response of SMSE walls. This study aimed to assess the seismic performance of SMSE walls and provide fragility curves for evaluating failure levels. The generated fragility curves can help to improve the seismic performance of these walls through assessing and controlling variables like backfill surface settlement, lateral deformation of facing, and permanent relocation of the wall. A parametric study was performed based on a non-linear elastoplastic constitutive model known as the hardening soil model with small-strain stiffness, HSsmall. The analyses were conducted using PLAXIS 2D, a Finite Element Method (FEM) program, under plane-strain conditions to study the effect of the number of geogrid layers and the axial stiffness of geogrids on the performance of SMSE walls. In this study, three areas of damage (minor, moderate, and severe) were observed and, in all cases, the wall has not completely entered the stage of destruction. For the base model (Model A), at the highest ground acceleration coefficient (1 g), in the moderate damage state, the fragility probability was 76%. These values were 62%, and 54%, respectively, by increasing the number of geogrids (Model B) and increasing the geogrid stiffness (Model C). Meanwhile, the fragility values were 99%, 98%, and 97%, respectively in the case of minor damage. Notably, the probability of complete destruction was zero percent in all models.
Han, Jeong Woo;Kim, Heung Sub;Bang, Je Sung;Song, See Yeob
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.7
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pp.945-951
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2013
This study evaluated the fatigue strength of the bogie frame of an urban maglev train through fatigue analysis, cumulative damage, and fatigue tests based on a proposed fatigue evaluation method. The results of FEM analysis in which various load combinations were adopted showed that all data were under the fatigue limit of a butt welded joint made of A6005 in a Goodman diagram. The cumulative fatigue damage was calculated at the highest level from a bolt connecting the area of the electromagnetic pole in the casting block; however, the total sum was evaluated as D=0.808 based on $1{\times}10^7$ cycles, which indicates that it did not exceed the failure criteria. In addition, the results of the fatigue testshowed that there was no crack at any position in the bogie frame, which corresponded to the results of fatigue analyses.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.9
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pp.961-971
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2008
In the design of a rotor shaft, care should be taken to minimize vibration by taking into account the sources of vibration. In addition, the intensity critical speed, stability, and other related aspects of the system must be considered. especially when it is operated at a critical speed, it is important to address issues related to vibration, as an increase in the whirling response of the rotor shaft can cause damage to the shaft, destruction of the rotor parts, and detrimental abrasions on the bearings. In this thesis, the vibration characteristics of a rotor shaft are investigated through the use of the finite element method. Variations of the diameters and lengths were used to determine the effect of a rotor shaft using Beam No.188(3D linear strain beam) in ANSYS version 11.0 as a universal interpretation program for finite elements. Special care was taken to prevent excessive vibration, which can result from resonance at the initial stage, in the formulation of a dynamic design for a rotor shaft through calculations while changing the diameters and the lengths of the shaft. Moreover, the dynamic characteristics of the critical speed, total mass, D/L(diameter to length) ratio, and natural frequency were verified. Furthermore, the rotor shaft applied by bearing element was calculated and compared by using Combi No. 214(2-D spring-damper bearing).
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.12
no.3
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pp.101-108
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2004
A FEM-based efficient method is developed for the shape optimization of 2-D structures. The combined SLP and Simplex method are coupled with finite element analysis. Selected set of master nodes on the design boundaries are employed as design variables and assigned to move towards their normal directions. The other nodes along the design boundaries are grouped into the master node. By interpolating the repositioned master nodes, the B-spline curves are formed so that the rest mid-nodes efficiently settle down on the B-spline curves. Mesh smoothing scheme is also applied for the nodes on the design boundary to maintain most finite elements in good quality. Finally, a numerical implementation of optimum design of an automobile torque converter piston subjected to pressure and centrifugal loads is presented. The results shows additional weight up to 13% may be saved after the shape optimization.
In this study, total strain was measured by LVDTs and local strains on the surface of specimens were measured by strain gauges. And axi-symmetrically elastoplastic FEM analyses was carried out for cylindrical specimens. Considering the influence of the restraint induced by the loading platen, in the case of H/D=1, the strain distribution on the side of a specimen is obviously affected by the condition of platen contact. Furthermore, it is clear that the larger H/D ratio becomes, the smaller the influence to the strain distribution is. For the smooth contact condition, the strain on the side is not influenced by the stiffness of the specimen, the shape and the scale effect, the strain distribution coincides with the nominal total strain. Whereas, in the case of rough contact condition, the strain distribution is remarkably affected. It is made clear that strain responses of hard rock specimens may more sensitive than these of soft rock specimens as a results of interaction between loading platens and specimen and the uniaxial strength of specimens may strongly depends on this interaction and stress-strain relation is affected by the contact condition.
This paper aims to estimate the range of the excavation damaged zone (EDZ) formation caused by the tunnel boring machine (TBM) advancement through dynamic three-dimensional large deformation finite element analysis. Large deformation analysis based on Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) analysis is used to accurately simulate the behavior during TBM excavation. The analysis model is verified based on numerous test results reported in the literature. The range of the formed EDZ will be suggested as a boundary under various conditions - different tunnel diameter, tunnel depth, and rock type. Moreover, evaluation of the integrity of the tunnel structure during excavation has been carried out. Based on the numerical results, the apparent boundary of the EDZ is shown to within the range of 0.7D (D: tunnel diameter) around the excavation surface. Through series of numerical computation, it is clear that for the rock of with higher rock mass rating (RMR) grade (close to 1st grade), the EDZ around the tunnel tends to increase. The size of the EDZ is found to be direct proportional to the tunnel diameter, whereas the depth of the tunnel is inversely proportional to the magnitude of the EDZ. However, the relationship between the formation of the EDZ and the stability of the tunnel was not found to be consistent. In case where the TBM excavation is carried out in hard rock or rock under high confinement (excavation under greater depth), large range of the EDZ may be formed, but less strain occurs along the excavation surface during excavation and is found to be more stable.
A spiting reinforcement system is composed of a series of radially installed reinforcing spites along the perimeter of the tunnel opening ahead of excavation. The reinforcing spill network is extended into the in-situ soil mass both radially and longitudinally The sailing reinforcement system has been successfully used for the construction of underground openings to reinforce weak rock formations on several occasions. The application of this spiting reinforcement system is currently extended to soft ground tunneling in limited occasions because of lack of reliable analysis and design methods. A method of threetimensional limit equilibrium stability analysis of the smile-reinforced shallow tunnel in soft ground is presented. The shape of the potential failure wedge for the case of smile-reinforced shallow tunnel is assumed on the basis of the results of three dimensional finite element analyses. A criterion to differentiate the spill-reinforced shallow tunnel from the smile-reinforced deep tunnel is also formulated, where the tunnel depth, soil type, geometry of the tunnel and reinforcing spites, together with soil arching effects, are considered. To examine the suitability of the proposed method of threedimensional stability analysis in practice, overall stability of the spill-reinforced shallow tunnel at facing is evaluated, and the predicted safety factors are compared with results from twotimensional analyses. Using the proposed method of threetimensional limit equilibrium stability analysis of the smile-reinforced shallow tunnel in soft ground, a parametric study is also made to investigate the effects of various design parameters such as tunnel depth, smile length and wadial spill spacing. With slight modifications the analytical method of threeiimensional stability analysis proposed may also be extended for the analysis and design of steel pipe reinforced multi -step grouting technique frequently used as a supplementary reinforcing method in soft ground tunnel construction.
Kim, Ho-Yoon;Park, Chul-Woo;Kim, Hyun-Il;Park, Kyung-Seo;Kim, Young-Ho;Joe, Ho-Sung
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.10
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pp.1543-1548
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2010
Powder metallurgy processes are used to form Net-Shape products and have been widely used in the production of automobile parts to improve its manufacture productivity. Powder-forging technology is being developed rapidly because of its economic merits and because of the possibility of reducing the weight of automobile parts by replacing steel parts with aluminum ones, in particular while manufacturing automotive parts. In the powder-forging process, the products manufactured by powder metallurgy are forged in order to remove any pores inside them. Powderforging technology can help expand the applications of powder metallurgy; this is possible because powder-forging technology enables the minimization of flashes, reduction of the number of stages, and possible grain refinement. At present, powder forging is widely used for manufacturing primary mechanical parts as in combination with the technology of powder forging of aluminum alloy pistons.
Lim, Jaeyoung;Kim, Deasik;Kim, Seong-Ku;Cha, Dong Jin
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.19
no.4
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pp.15-23
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2015
This study predicts the basic characteristics of combustion instabilities in a gas turbine lean premixed combustor using ASCI3D code which is a FEM(Finite Element Method)-based Helmholtz solver. The prediction results show the good agreement with the measured data in modeling the overall combustion instability features, however, the code is found to overpredict the unstable conditions. As one of the efforts to improve the model accuracy, the effects of acoustic boundary conditions on the instability growth rate are analyzed. As a result, it is shown that the acoustic reflection coefficient has a great impact on the instability and the prediction accuracy can be enhanced by defining the precise acoustic conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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