Two-dimensional Stokes flows through a micro channel with a couple of symmetric vertical fins are investigated. At far up- and down-stream from the fins, the plane Poiseuille flow exists in the channel. The slip boundary conditions are applied to take account of the Knudsen number effects. For the analysis, the method of eigen function expansion and collocation method are employed. By the results, the streamline patterns and pressure distributions are shown and the force exerted on the fin and the excess pressure drop due to the fins are determined as functions of the length of the fin and Knudsen number. It may be conjectured that the force and the excess pressure drop are almost independent of the Knudsen number.
Dynamic stress intensity factors (DSIFs) are obtained when a crack propagates with constant velocity in rectangular functionally gradient materials (FGMs) under dynamic mode III load. To obtain the dynamic stress intensity factors, it is used the general stress and displacement fields of FGMs for propagating crack and the boundary collocation method (BCM). The stress intensity factors and energy release rates are the greatest in the increasing properties $(\xi>0)$, next constant properties $(\x=0)$ and decreasing properties $(\xi<0)$ under constant crack tip properties and crack tip speed.
The humid thermal vibration characteristics of a nonhomogeneous thermopiezoelectric nonlocal plate of polygonal shape are addressed in the purview of generalized nonlocal thermoelasticity. The plate is initially stressed, and the three-dimensional linear elasticity equations are taken to form motion equations. The problem is solved using the Fourier expansion collocation method along the irregular boundary conditions. The numerical results of physical variables have been discussed for the triangle, square, pentagon, and hexagon shapes of the plates and are given as dispersion curves. The amplitude of non-dimensional frequencies is tabulated for the longitudinal and flexural symmetric modes of the thermopiezoelectric plate via moisture and thermal constants. Also, a comparison of numerical results is made with existing literature, and good agreement is reached.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.8
no.2
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pp.17-27
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2007
Minimum-time attitude maneuvers of three-axis stabilized spacecraft are presented to study the feasibility of using three magnetic torquers perform large angle maneuvers. Previous applications of magnetic torquers have been limited to spin-stabilized satellites or supplemental actuators of three axis stabilized satellites because of the capability of magnetic torquers to produce torques about a specific axes. The minimum-time attitude maneuver problem is solved by applying a parameter optimization method for orbital cases to verify that the magnetic torque system can perform as required. Direct collocation and a nonlinear programming method with a constraining method by Simpson's rule are used to convert the minimum-time maneuver problems into parameter optimization problems. An appropriate number of nodes is presented to find a bang-bang type solution to the minimum-time problem. Some modifications in the boundary conditions of final attitude are made to solve the problem more robustly and efficiently. The numerical studies illustrate that the presented method can provide a capable and robust attitude reorientation by using only magnetic torquers. However, the required maneuver times are relatively longer than when thrusters or wheels are used. Performance of the system in the presence of errors in the magnetometer as well as the geomagnetic field model still good.
This paper proposes an efficient approach for the structural topology optimization of bi-directional functionally graded structures by incorporating popular radial basis functions (RBFs) into an implicit level set (ILS) method. Compared to traditional element density-based methods, a level set (LS) description of material boundaries produces a smoother boundary description of the design. The paper develops RBF implicit modeling with multiquadric (MQ) splines, thin-plate spline (TPS), exponential spline (ES), and Gaussians (GS) to define the ILS function with high accuracy and smoothness. The optimization problem is formulated by considering RBF-based nodal densities as design variables and minimizing the compliance objective function. A LS-RBF optimization method is proposed to transform a Hamilton-Jacobi partial differential equation (PDE) into a system of coupled non-linear ordinary differential equations (ODEs) over the entire design domain using a collocation formulation of the method of lines design variables. The paper presents detailed mathematical expressions for BiDFG beams topology optimization with two different material models: continuum functionally graded (CFG) and mechanical functionally graded (MFG). Several numerical examples are presented to verify the method's efficiency, reliability, and success in accuracy, convergence speed, and insensitivity to initial designs in the topology optimization of two-dimensional (2D) structures. Overall, the paper presents a novel and efficient approach to topology optimization that can handle bi-directional functionally graded structures with complex geometries.
This paper presents the three-dimensional stress analysis of orthotropic thick plates using the three-dimensional spline strip method based on the theory of elasticity. The orthotropic plates are made of Aragonite crystal and sitka spruce. To demonstrate the convergence and accuracy of the present method, several examples are solved, and results are compared with those obtained by other exact and numerical methods based on the theory of elasticity. Good convergence and accuracy are obtained. The effects of thickness/width ratio, aspect ratio and boundary conditions on normal stress distributions of Aragonite crystal plates and sitka spruce plates are investigated. Moreover, the difference of weak orthotropic and strong orthotropic properties given to the characteristics of stress distributions are also shown.
In this work the dynamic heat transfer occurring in a cable penetration fire stop system built in the firewall of nuclear power plants is three-dimensionally investigated to develop a test-simulator that can be used to verify effectiveness of the sealants. The dynamic heat transfer can be described by a partial differential equation (PDE) and its initial and boundary conditions. For the shake of simplicity PDE is divided into two parts; one corresponding to the heat transfer in the axial direction and the other corresponding to the heat transfer on the vertical layers. Two numerical methods, SOR (Sequential Over-Relaxation) and FEM (Finite Element Method), are implemented to solve these equations respectively. The axial line is discretized, and SOR is applied. Similarly, all the layers are separated into finite elements, where the time and spatial functions are assumed to be of orthogonal collocation state at each element. The heat fluxes on the layers are calculated by FEM. It is shown that the penetration cable influences the temperature distribution of the fire stop system very significantly. The simulation results are shown in the three-dimensional graphics for the understanding of the transient temperature distribution in the fire stop system.
Interfacial cracks between an isotropic and orthotropic material, subjected to static far field tensile loading are analyzed using the technique of photoelasticity. The fracture parameters are extracted from the full-field isochromatic data and the same are compared with that obtained using boundary collocation method. Dynamic Photoelasticity combined with high-speed digital photography is employed for capturing the isochromatics in the case of propagating interfacial cracks. The normalized stress intensity factors for static crack is greater when $\alpha=90^{\circ}C$ (fibers perpendicular to the interface) than when $\alpha=0^{\circ}C$ (fiber parallel to the interface) and those when $\alpha=90^{\circ}C$ are similar to ones of isotropic material. The dynamic stress intensity factors for interfacial propagating crack are greater when $\alpha=0^{\circ}C$ than $\alpha=90^{\circ}C$. The relationship between complex dynamic stress intensity factor $|K_D|$ and crack speed C is similar to that for isotropic homogeneous materials, the rate of increase of energy release rate G or $|K_D|$ with crack speed is not as drastic as that reported for homogeneous materials.
Sim, Young-Jong;Kim, Hong-Taek;Germanovich, Leonid N.
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.7
no.2
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pp.43-53
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2006
Hydraulic fracturing is an important and abundant process in both industrial applications and natural environments. The formation of hydraulic fractures includes nucleation, growth, and termination in numerous rock types and stress regimes, at scales ranging from microns to many kilometers. As a result, fracture segmentation, commonly observed at all scales and in all geo-materials, contributes to this complexity in many ways. In particular, the mechanical interaction of fracture segments strongly affect almost all hydraulic fracturing processes. In this paper, the segmented fracture opening deformation in rock by hydraulic fracturing is quantified using boundary collocation method and is compared with non-interacting single fracture.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.4
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pp.493-499
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2007
The Taylor expansion expresses a differentiable function and its coefficients provide good approximations for the given function and its derivatives. In this study, m-th order Taylor Polynomial is constructed and the coefficients are computed by the Moving Least Squares method. The coefficients are applied to the governing partial differential equation for solid problems including crack problems. The discrete system of difference equations are set up based on the concept of point collocation. The developed method effectively overcomes the shortcomings of the finite difference method which is dependent of the grid structure and has no approximation function, and the Galerkin-based meshfree method which involves time-consuming integration of weak form and differentiation of the shape function and cumbersome treatment of essential boundary.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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