An analytical model of internal pressure response of a leaky and quasi-statically flexible building with a dominant opening is provided by including the effect of the envelope external pressure fluctuations on the roof, in addition to the fluctuating external pressure at the dominant opening. Wind tunnel experiments involving a flexible roof and different building porosities were carried out to validate the analytical predictions. While the effect of envelope flexibility is shown to lower the Helmholtz frequency of the building volume-opening combination, the lowering of the resonant peak in the internal and net roof pressure coefficient spectra is attributed to the increased damping in the system due to inherent background leakage and envelope flexibility. The extent of the damping effects of "skin" flexibility and background leakage in moderating the internal and net pressure response under high wind conditions is quantified using the linearized admittance functions developed. Analytical examples provided for different combinations of background leakage and envelope flexibility show that alleviation of internal and net pressure fluctuations due to these factors by as much as 40 and 15% respectively is possible compared to that for a nominally sealed rigid building of the same internal volume and opening size.
The first seismically isolated structure in Taiwan was completed in early 1999. Seven new bridges of the Second National Freeway located at Bai-Ho area, a region which is considered to be of high seismic risk, have been designed and constructed with lead-rubber seismic isolation bearings. Since this is the first application of seismic isolation method to the practical construction in Taiwan, field tests were conducted for one of the seven bridges to evaluate the assumptions and uncertainties in the design and construction. The test program is composed of ambient vibration tests, forced vibration tests, and free vibration tests. For the free vibration tests, a special test setup composed of four 1000 kN hydraulic jacks and a quick-release mechanism was designed to perform the function of push-and-quick release. Valuable results have been obtained based on the correlation between measured and analytical data so that the analytical model can be calibrated. Based on the analytical correlation, it is concluded that the dynamic characteristics and free vibration behavior of the isolated bridge can be well captured when the nonlinear properties of the bearings are properly considered in the modeling.
The Micro circular diaphragm (MCD) is the mechanical actuator part used in the micro electro-mechanical sensors (MEMS) that combine electrical and mechanical components. These actuators are working under harsh mechanical and thermal conditions, so it is very important to study the mechanical and thermal behaviors of these actuators, in order to do with its function successfully. The objective of this paper is to determine the thermo-mechanical behavior of MCD by developing the traditional bulge test technique to achieve the aims of this work. The specimen is first pre-stressed to ensure that is no initial deflection before applied the loads on diaphragm and then clamped between two plates, a differential pressure (P) and temperature ($T_b$) is leading to a deformation of the MCD. Analytical formulation of developed bulge test technique for MCD thermo-mechanical characterization was established with taking in-to account effect of the residual strength from pre-stressed loading. These makes the plane-strain bulge test ideal for studying the mechanical and thermal behavior of diaphragm in both the elastic and plastic regimes. The differential specimen thickness due to bulge effect to describe the mechanical behavior, and the temperature effect on the MCD material properties to study the thermal behavior under deformation were discussed. A finite element model (FEM) can be extended to apply for investigating the reliability of the proposed bulge test of MCD and compare between the FEM results and another one from analytical calculus. The results show that, the good convergence between the finite element model and analytical model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.8
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pp.945-956
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1999
This work reports a set of approximate analytical solutions describing the initial transient process of close-contact melting between a rectangular parallelepiped solid and a flat plate on which either constant temperature or constant heat flux is imposed. Not only relative motion of the solid block tangential to the heating plate, but also the density difference between the solid and liquid phase is incorporated in the model. The thin film approximation reduces the force balance between the solid weight and liquid pressure, and the energy balance at the melting front into a simultaneous ordinary differential equation system. The normalized model equations admit compactly expressed analytical solutions which include the already approved two-dimensional solutions as a subset. In particular, the normalized liquid film thickness is independent of all pertinent parameters, thereby facilitating to define the transition period of close-contact melting. A unique behavior of the solid descending velocity due to the density difference is also resolved by the present solution. A new geometric function which alone represents the three-dimensional effect is introduced, and its properties are clarified. One of the representative results is that heat transfer is at least enhanced at the expense of the increase in friction as the cross-sectional shape deviates from the square under the same contact area.
Kim, Seung-Soo;Kang, Moon-Ja;Park, Soon-Dal;Park, Yong-Joon;Joe, Kih-Soo
Analytical Science and Technology
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v.12
no.2
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pp.94-98
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1999
An analysis method of components and isotopic compositions of low pressure gases from nuclear fuel rod using quadrupole mass spectrometer was studied. The calibration curves of each gas in pure and mixtures of He, $N_2$, $O_2$, Ar, Kr and Xe were obtained as a function of pressure and concentration, respectively. Effect of molecular leak, located between sample chamber and analyser chamber, on the sensitivites was also studied. The results suggested that samples could be analysed accurately at the same analytical condition as that of synthetic gas mixture. The difference of sensitivities among isotopes of Kr and Xe was not observed in the range of measured pressure.
Analytical investigations were performed of a longitudinal crack representing a cylindrical surface in circular shafts loaded in torsion with taking into account the non-linear material behavior. Both functionally graded and multilayered shafts were analyzed. It was assumed that the material is functionally graded in radial direction. The mechanical behavior of shafts was modeled by using non-linear constitutive relations between the shear stresses and shear strains. The fracture was studied in terms of the strain energy release rate. Within the framework of small strain approach, the strain energy release rate was derived in a function of the torsion moments in the cross-sections ahead and behind the crack front. The analytical approach developed was applied to study the fracture in a clamped circular shaft. In order to verify the solution derived, the strain energy release rate was determined also by considering the shaft complimentary strain energy. The effects were evaluated of material properties, crack location and material non-linearity on the fracture behavior. The results obtained can be applied for optimization of the shafts structure with respect to the fracture performance. It was shown that the approach developed in the present paper is very useful for studying the longitudinal fracture in circular shafts in torsion with considering the material non-linearity.
In this study, a new analytical-numerical procedure is developed to give the stresses and strains around a circular tunnel in rock masses exhibiting different stress-strain behavior. The calculation starts from the tunnel wall and continues toward the unknown elastic-plastic boundary by a finite difference method in the annular discretized plastic zone. From the known stresses in the tunnel boundary, the strains are calculated using the elastic-plastic stiffness matrix in which three dimensional Hoek-Brown failure criterion (Jiang and Zhao 2015) and Mohr-Coulomb potential function with proper dilation angle (i.e., non-associated flow rule) are employed in terms of stress invariants. The illustrative examples give ground response curve and show correctness of the proposed approach. Finally, from the results of a great number of analyses, a simple relationship is presented to find out the closure of circular tunnel in terms of rock mass strength and tunnel depth. It can be valuable for the preliminary decision of tunnel support and for prediction of tunnel problems.
Critical loads and load-carrying capacities for steel scaffolds used as shoring systems were compared using computational and experimental methods in Part I of this paper. In that paper, a simple 2-D model was established for use in evaluating the structural behavior of scaffold-shoring systems. This 2-D model was derived using an incremental finite element analysis (FEA) of a typical complete scaffold-shoring system. Although the simplified model is only two-dimensional, it predicts the critical loads and failure modes of the complete system. The objective of this paper is to present a closed-form solution to the 2-D model. To simplify the analysis, a simpler model was first established to replace the 2-D model. Then, a closed-form solution for the critical loads and failure modes based on this simplified model were derived using a bifurcation (eigenvalue) approach to the elastic-buckling problem. In this closed-form equation, the critical loads are shown to be function of the number of stories, material properties, and section properties of the scaffolds. The critical loads and failure modes obtained from the analytical (closed-form) solution were compared with the results from the 2-D model. The comparisons show that the critical loads from the analytical solution (simplified model) closely match the results from the more complex model, and that the predicted failure modes are nearly identical.
Ha, Sung-Hoon;Seong, Min-Sang;Heung, Quoc-Nguyen;Choi, Seung-Bok
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.04a
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pp.581-586
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2009
This paper presents an optimal design of magnetorheological(MR) damper based on analytical methodology and finite element analysis. The proposed MR damper consists of MR valve and gas chamber. The MR valve is constrained in a specific volume and the optimization problem identifies geometric dimensions of the valve structure that maximize the pressure drop of the MR valve or damping force of the MR damper. In this work, the single-coil annular MR valve structure is considered. After describing the schematic configuration and operating principle of MR valve and damper, a quasi-static model is derived based on Bingham model of MR fluid. The magnetic circuit of the valve and damper is then analyzed by applying the Kirchoff’s law and magnetic flux conservation rule. Based on the quasi-static modeling and the magnetic circuit analysis, the optimization problem of the MR valve and damper is built. The optimal solution of the optimization problem of the MR valve structure constrained in a specific volume is then obtained and compared with the solution obtained from finite element method.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.40
no.5
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pp.389-396
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2016
The theory of Fourier heat conduction predicts accurately the temperature profiles of a system in a non-equilibrium steady state. However, in the case of transient states at the nanoscale, its applicability is significantly limited. The limitation of the classical Fourier's theory was overcome by C. Cattaneo and P. Vernotte who developed the theory of non-Fourier heat conduction in 1958. Although this new theory has been used in various thermal science areas, it requires considerable mathematical skills for calculating analytical solutions. The aim of this study was the identification of a newer and a simpler type of solution for the hyperbolic partial differential equations of the non-Fourier heat conduction. This constitutes the first trial in a series of planned studies. By inspecting each term included in the proposed solution, the theoretical feasibility of the solution was achieved. The new analytical solution for the non-Fourier heat conduction is a simple exponential function that is compared to the existing data for justification. Although the proposed solution partially satisfies the Cattaneo-Vernotte equation, it cannot simulate a thermal wave behavior. However, the results of this study indicate that it is possible to obtain the theoretical solution of the Cattaneo-Vernotte equation by improving the form of the proposed solution.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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