This paper provides a brief review of the advanced technologies for carbon ion radiotherapy (CIRT), with a focus on current developments. Compared to photon beam therapy, treatment using heavy ions, especially a carbon beam, has potential advantages due to its physical and biological properties. Carbon ion beams with high linear energy transfer demonstrate high relative biological effectiveness in cell killing, particularly at the Bragg peak. With these unique properties, CIRT allows for accurate targeting and dose escalation for tumors with better sparing of adjacent normal tissues. Recently, the available CIRT technologies included fast pencil beam scanning, superconducting rotating gantry, respiratory motion management, and accurate beam modeling for the treatment planning system. These techniques provide precise treatment, operational efficiency, and patient comfort. Currently, there are 12 CIRT facilities worldwide; with technological improvements, they continue to grow in number. Ongoing technological developments include the use of multiple ion beams, effective beam delivery, accurate biological modeling, and downsizing the facility.
In this paper, we propose a continuum mechanics based 3-D beam finite element with cross-sectional discretization allowing for warping displacements. The beam element is directly derived from the assemblage of 3-D solid elements, and this approach results in inherently advanced modeling capabilities of the beam element. In the beam formulation, warping is fully coupled with bending, shearing, and stretching. Consequently, the proposed beam elements can consider free and constrained warping conditions, eccentricities, curved geometries, varying sections, as well as arbitrary cross-sections (including thin/thick-walled, open/closed, and single/multi-cell cross-sections). We then study the modeling and predictive capabilities of the beam elements in twisting beam problems according to geometries, boundary conditions, and cross-sectional meshes. The results are compared with reference solutions obtained by analytical methods and solid and shell finite element models. Excellent modeling capabilities and solution accuracy of the proposed beam element are observed.
The resistance spot-welded region in most current finite element crash models is characterized as a rigid beam at the location of the welded spot. The region is modeled to fail with a failure criterion which is a function of the axial and shear load at the rigid beam. The calculation of the load acting on the rigid beam is important to evaluate the failure of the spot-weld. In this paper, numerical simulation is carried out to evaluate the calculation of the load at the rigid beam. At first, the load on the spot-welded region is calculated with the precise finite element model considering the residual stress due to the thermal history during the spot welding procedure. And then, the load is compared with the one obtained from the model used in the crash analysis with respect to the element size, the element shape and the number of imposed constraints. Analysis results demonstrate that the load acting on the spot-welded element is correctly calculated by the change of the element shape around the welded region and the location of welded constrains. The results provide a guideline for an accurate finite element modeling of the spot-welded region in the crash analysis of vehicles.
In this study, a new smart beam finite element is proposed for the finite element modeling of beam-type smart structures that are equipped with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators. Constitutive equations for the direct piezoelectric effect and converse piezoelectric effect of piezoelectric materials are considered in the formulation. By using a variational principle, the equations of motion for the smart beam finite element are derived. The proposed 2-node beam finite element is an isoparametric element based on Timoshenko beam theory. The proposed smart beam finite element is applied to the free vibration control adopting a constant gain feedback scheme. The electrical force vector, which is obtained in deriving an equation of motion, is the control force equivalent to that in existing literature. Validity of the proposed element is shown through comparing the analytical results of the verification examples with those of other previous researchers. With the use of smart beam finite elements, simulation of free vibration control is demonstrated by sensing the voltage of the piezoelectric sensors and by applying the voltages to the piezoelectric actuators.
An optical measurement method of three dimensional surface profiles which is named the slit beam projection is suggested and practically implemented. This method is intended especially for noncontact and fast digitization of sculptured surfaces for CAD modeling and die manufacturing. Its basic principles are based on geometric optics. Deatiled optical principles and an sub-pixel image processing technique to enhance the measuring resolutions are described in this study. The measuring performances of the slit beam projection are presented and discussed to demonstrate that an actual measuring accuracy of below .+-. 0.2mm can be achived over the whole measuring range(500mm*300mm*200mm)
Idle shake vibration characteristics of a vehicle are mainly influenced not only by the stiffnesses of the beam type structures such as pillars and rockers, but also by the stiffnesses of the joint structures, at which several beam structures are jointed together. In the early design stage of the car body structure a simple FE model has been used, in which joints are modeled as linear springs to represent the stiffnesses of the joint structures. In this paper a new modeling technique for the joint structure is presented using an equivalent beam, instead of using a spring. The modeling technique proposed is utilized to design optimal joint structures that meet the required vibration performance of the total vehicle structure.
The resistance spot-welded region in most current finite element crash models is characterized as a rigid beam at the location of the welded spot. The region is modeled to fail with a failure criterion which is a function of the axial and shear load at the rigid beam. The role of this rigid beam is simply to transfer the load across the welded components. The calculation of the load acting on the rigid beam is important to evaluate the failure of the spot-weld. In this paper, numerical simulation is carried out to evaluate the calculation of the load at the rigid beam. The load calculated from the precise finite element model of the spot-welded region considering the residual stress due to the thermal history during the spot welding procedure is regarded as the reference value and the value of the load is compared with the one obtained from the spot-welded model using the rigid beam with respect to the element size, the element shape and the number of imposed constraints. Analysis results demonstrate that the load acting on the spot-welded element is correctly calculated by the change of the element shape around the welded region and the location of welded constrains. The results provide a guideline for an accurate finite element modeling of the spot-welded region in the crash analysis of vehicles.
This paper concerns the analytical modeling and dynamic analysis of advanced rotating blade structure implemented by a dual approach based on structural tailoring and viscoelastic materials technology. Whereas structural tailoring uses the directionality properties of advanced composite materials, the passive materials technology exploits the damping capabilities of viscoelastic material(VEM) embedded into the host structure. The structure is modeled as a composite thin-walled beam incorporating a number of nonclassical features such as transverse shear, warping restraint, anisotropy of constituent materials, and warping and rotary inertias. The VEM layer damping treatment is modeled by using the Golla-Mushes-McTavish(GHM) method, which is employed to account for the frequency-dependent characteristic o the VEM. The displayed numerical results provide a comprehensive picture of the synergistic implications of the application of both techniques, namely, the tailoring and damping technology on vibration response of thin-walled beam structure exposed to external time-dependent excitations.
The analytical model is developed in order to predict the nonlinear flexural responses of bonded and unbonded prestressed concrete beam which contains advanced composite materials. The block concept is used, which be regarded as an intermediate modeling method between the couple method with one block and the layered method with multiple sliced blocks in a section. The model can successfully predict the flexural behavior of variously reinforced prestressed concrete beams.
This paper concerns the analytical modeling and dynamic analysis of advanced rotating blade structure implemented by a dual approach based on structural tailoring and viscoelastic material technology. Whereas structural tailoring uses the directionality properties of advanced composite materials, the passive material technology exploits the damping capabilities of viscoelastic material (VEM) embedded into the host structure. The main structure is modeled as a composite thin-walled beam Incorporating a number of nonclassical features such as transverse shear. anisotropy of constituent materials, and rotary inertia etc. The VEM layer damping treatment is modeled by using the Golla-Hughes-McTavish (GHM) method, which is employed to account for the frequency-dependent characteristics of the VEM. The displayed numerical results provide a comprehensive picture of the synergistic implications of both techniques, namely, the tailoring and damping technology on dynamic response of a thin-walled beam structure exposed to external time-dependent excitation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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