Although many methodologies exist for determining the constrained equations of motion, most of these methods depend on numerical approaches such as the Lagrange multiplier's method expressed in differential/algebraic systems. In 1992, Udwadia and Kalaba proposed explicit equations of motion for constrained systems based on Gauss's principle and elementary linear algebra without any multipliers or complicated intermediate processes. The generalized inverse method was the first work to present explicit equations of motion for constrained systems. However, numerical integration results of the equation of motion gradually veer away from the constraint equations with time. Thus, an objective of this study is to provide a numerical integration scheme, which modifies the generalized inverse method to reduce the errors. The modified equations of motion for constrained systems include the position constraints of index 3 systems and their first derivatives with respect to time in addition to their second derivatives with respect to time. The effectiveness of the proposed method is illustrated by numerical examples.
A numerical approach combining the finite element method with two different stability criteria namely the Budiansky and the phase-plane buckling criteria is used to study the dynamic buckling phenomena of plate and shell structures subjected to sudden applied loading. In the finite element analysis an explicit time integration scheme is used and the two criteria are implemented in the Finite Element analysis. The dynamic responses of the plate and shell structures have been investigated for different values of the plate and shell imperfection factors. The results indicate that the dynamic buckling time, which is normally considered in predicting elasto-plastic buckling behavior, should be taken into consideration with the buckling criteria for elastic buckling analysis of plate and shell structures. By selecting proper control variables and incorporating them with two dynamic buckling criteria, the unique dynamic buckling load can be obtained and the problems of ambiguity and contradiction of dynamic buckling load of plate and shell structure can be resolved.
The crashworthiness of vehicles with finite element methods depends on the geometry modeling and the material properties. The vehicle body structures are generally composed of various members such as frames, stamped panels and deep-drawn parts from sheet metals. In order to ensure the impact characteristics of auto-body structures, the dynamic behavior of sheet metals must be examined to provide the appropriate constitutive relation. In this paper, high strain-rate tensile tests have been carried out with a tension type split Hopkinson bar apparatus specially designed for sheet metals. Experimental results from both static and dynamic tests with the tension split Hopkinson bar apparatus are interpolated to construct the Johnson-Cook and a modified Johnson-Cook equation as the constitutive relation, that should be applied to simulation of the dynamic behavior of auto-body structures. Simulation of auto-body structures has been carried out with an elasto-plastic finite element method with explicit time integration. The stress integration scheme with the plastic predictor-elastic corrector method is adopted in order to accurately keep track of the stress-strain relation for the rate-dependent model accurately. The crashworthiness of the structure with quasi-static constitutive relation is compared to the one with the rate-dependent constitutive model. Numerical simulation has been carried out for frontal frames and a hood of an automobile. Deformed shapes and the Impact energy absorption of the structure are investigated with the variation of the strain rate.
In the present numerical simulation of viscous free surface flow around a ship, two-fluids in-compressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the standard $\textsc{k}-\varepsilon$turbulence model are discretized on a regular grid by using a finite volume method. A local level-set method is introduced for capturing the free surface movement and the influence of the viscous layer and dynamic boundary condition of the free surface are implicitly considered. Partial differential equations in the level-set method are discretized with second order ENO scheme and explicit Euler scheme in the space and time integration, respectively. The computational results for the Series-60 model with $C_B=0.6$ show a good agreement with the experimental data, but more validation studies for commercial complicated hull forms are necessary.
The dynamic responses of structure under impulsive loading have been investigated according to its duration, based on the theory of viscoplasticity which can appropriately represent the effects of plasticity and rheology simultaneously. The viscoplastic model has been implemented into the two-dimensional finite element system to solve plane stress, plane strain or axi-symmetric problems, and the implicit integration scheme, of which solutions are unconditionally stable for relatively large time step length, has been developed to simulate visoplastic straining with deriving the explicit relationship between stress and strain at a material point level. After simulation, one carefully concludes that the duration as well as magnitude of impulsive loading plays an important role in design of structures.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.4
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pp.297-303
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2014
Using the bond-based peridynamics and the parallel computation with binary decomposition, an adjoint shape design sensitivity analysis(DSA) method is developed for the dynamic crack propagation problems. The peridynamics includes the successive branching of cracks and employs the explicit scheme of time integration. The adjoint variable method is generally not suitable for path-dependent problems but employed since the path of response analysis is readily available. The accuracy of analytical design sensitivity is verified by comparing it with the finite difference one. The finite difference method is susceptible to the amount of design perturbations and could result in inaccurate design sensitivity for highly nonlinear peridynamics problems with respect to the design. It turns out that $C^1$-continuous volume fraction is necessary for the accurate evaluation of shape design sensitivity in peridynamic discretization.
Seismic response of two dimensional liquid tanks is numerically simulated using fully nonlinear velocity potential theory. Galerkin-weighted-residual based finite element method is used for solving the governing Laplace equation with fully nonlinear free surface boundary conditions and also for velocity recovery. Based on mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) method, fourth order explicit Runge-Kutta scheme is used for time integration of free surface boundary conditions. A cubic-spline fitted regridding technique is used at every time step to eliminate possible numerical instabilities on account of Lagrangian node induced mesh distortion. An artificial surface damping term is used which mimics the viscosity induced damping and brings in numerical stability. Four earthquake motions have been suitably selected to study the effect of frequency content on the dynamic response of tank-liquid system. The nonlinear seismic response vis-a-vis linear response of rectangular liquid tank has been studied. The impulsive and convective components of hydrodynamic forces, e.g., base shear, overturning base moment and pressure distribution on tank-wall are quantified. It is observed that the convective response of tank-liquid system is very much sensitive to the frequency content of the ground motion. Such sensitivity is more pronounced in shallow tanks.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.38
no.1
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pp.1-8
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2001
The computations of the turbulent flow around the ship models with the free-surface effects were carried out. Incompressible Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations were solved by using an explicit finite-difference method with the nonstaggered grid system. The method employed second-order finite differences for the spatial discretization and a four-stage Runge-Kutta scheme for the temporal integration. For the turbulence closure, a modified Baldwin-Lomax model was exploited. The location of the free surface was determined by solving the equation of the kinematic free-surface condition using the Lax-Wendroff scheme and a free-surface conforming grid was generated at each time step so that one of the grid boundary surfaces always coincides with the free surface. An inviscid approximation of the dynamic free-surface boundary condition was applied as the boundary conditions for the velocity and pressure on the free surface. To validate the computational method developed in the present study, the computations were carried out for beth Wigley and Series 60 $C_B=0.6$ ship model and the computational results showed good agreements with the experimental data.
Recently, as construction technology improved, concrete structures not only became larger, taller and longer but were able to perform various functions. However, if extreme loads such as impact, blast, and fire are applied to those structures, it would cause severe property damages and human casualties. Especially, the structural responses from extreme loading are totally different than that from quasi-static loading, because large pressure is applied to structures from mass acceleration effect of impact and blast loads. Therefore, the strain rate effect and damage levels should be considered when concrete structure is designed. In this study, the low velocity impact loading test of steel fiber reinforced concrete (SFRC) slabs including 0%~1.5% (by volume) of steel fibers, and strengthened with two types of FRP sheets was performed to develop an impact resistant structural member. From the test results, the maximum impact load, dissipated energy and the number of drop to failure increased, whereas the maximum displacement and support rotation were reduced by strengthening SFRC slab with FRP sheets in tensile zone. The test results showed that the impact resistance of concrete slab can be substantially improved by externally strengthening using FRP sheets. This result can be used in designing of primary facilities exposed to such extreme loads. The dynamic responses of SFRC slab strengthened with FRP sheets under low velocity impact load were also analyzed using LS-DYNA, a finite element analysis program with an explicit time integration scheme. The comparison of test and analytical results showed that they were within 5% of error with respect to maximum displacements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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