Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.3
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pp.353-359
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2010
For achieving economical fuel consumption, an increase in the load bearing capacity, and for environmental conservation, there is a constant demand for lightweight frames of commercial vehicles used in the transportation industry. In this study, a structural analysis of the frame of a heavy flat-bed trailer was performed to determine the optimal design of a new lightweight frame made of high-strength steel. To identify the key design parameters of the trailer frame, Taguchi's orthogonal array was used in the experiments. Using ANSYS, a commercial FEA program, the frame structure was optimized with respect to stress, deflection, and torsional stiffness by performing stress and vibration analyses. A physical model of the trailer was also built to verify the validity of the numerical analyses. Finally, an on-road fatigue test of the new lightweight frame made of the high-strength steel, ATOS80, was performed to confirm the durability of the new design.
The objective of this research is to study the mechanical and vibration characteristics of vibration damping aluminum panels for automotive parts. For this purpose, the test and simulation results of aluminum-resin hybrid materials and aluminum sheet materials were compared. Tensile strength and elastic modulus of the hybrid material were approximately 10% lower than aluminum sheet. Also, it was showed that the hybrid material have lower natural frequency than aluminum sheet, and it was confirmed that loss factor increases as the thickness of resin increases. Finally, it is confirmed that the test results and the analysis results are similar with each other and the performance prediction of the materials are possible by FEA.
This paper presents the analytical modeling and finite element (FE) analysis, using ABAQUS software, of the new types of steel reinforced lightweight aggregate concrete (SRLAC) columns with cross-shaped (+shaped and X-shaped) steel section, using proposed three analytical and two FE models in total. The stress-strain material models for different components in the columns, including the confined zones of the lightweight aggregate concrete (LWAC) using three and four concrete zones divisions approaches and with and without taking into account the stirrups reaction effect, are established first. The analytical models for determining the axial load-deformation behavior of the SRLAC columns are drawn based on the materials models. The analytical and FE models' results are compared with previously reported test results of the axially loaded SRLAC columns. The proposed analytical and FE models accurately predict the axial behavior and capacities of the new types of SRLAC columns with acceptable agreements for the load-displacement curves. The LWAC strength, steel section ratio, and steel section configuration affect the contact stress between the concrete and steel sections. The average ratios of the ultimate test load to the three analytical models and FEA model loads, Put /Pa1, Put /Pa2, Put /Pa3, and Put /PFE1, for the tested specimens are 0.96, 1.004, 1.016, and 1.019, respectively. Finally, the analytical parametric studies are also studied, in terms of the effects of confinement, LWAC strength, steel section ratio, and the reinforcement ratio on the axial capacity of the SRLAC column. When concrete strength, confinements, area of steel sections, or reinforcement bars ratio increased, the axial capacities increased.
W. G. Seo;K. Thool;H. N. Lee;D. J. Yang;S. G. Park;S. H. Choi
Transactions of Materials Processing
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v.32
no.6
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pp.344-351
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2023
The use of Zn-Al-Mg alloy coatings for enhancing the corrosion resistance of steel sheets is gaining prominence over traditional Zn coatings. There is a growing demand for the development of thermal spray wires made from Zn-Al-Mg alloys, as a replacement for the existing wires produced using Al and Zn. This is particularly crucial to secure corrosion resistance and durability in the damaged areas of coated steel sheets caused by deformation and welding. This study focuses on the casting and extrusion processes of Zn-2Al-1Mg alloy for the fabrication of such spray wires and analyzes the changes in microstructure during the extrusion process. The Zn-2Al-1Mg alloy, cast in molds, was subjected to a heat treatment at 250 ℃ for 3 hours prior to extrusion. The extrusion process was carried out by heating both the material and the mold up to 300 ℃. Microstructural analysis was conducted using FE-SEM and EDS to differentiate each phase. The mechanical properties of the cast specimen were evaluated through compression tests at temperatures ranging from 200 to 300 ℃, with strain rates of 0.1 to 5 sec-1. Vickers hardness testing was utilized to assess the inhomogeneity of mechanical properties in the radial direction of the extruded material. Finite Element Analysis (FEA) was employed to understand the inhomogeneity in stress and strain distribution during extrusion, which aids in understanding the impact of heterogeneous deformation on the microstructure during the process.
Lee, Joo Hong;Kim, Do Sik;Nam, Tae Yeon;Lee, Tae Young;Cho, Hae Yong
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.40
no.11
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pp.979-986
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2016
The tripod shafts of constant-velocity joint are used in both the trains KTX and KTX-sanchon. It is an important component that connects the motor reduction unit and the axle reduction unit in a power bogie. The tripod shaft not only transmits drive and brake torque in the rotational direction, but also slides in the axial direction. If the drive system is loaded with an excessive torque, the fuse part of the shaft will be fractured firstly to protect the other important components. In this study, a rig was developed for conducting torsion tests on the tripod shaft, which is a type of mechanical fuse. The tripod shafts were subjected to torsional fracture test and torsional fatigue test on the rig. The weak zone of the tripod shaft was identified, and its fatigue life was predicted using finite element analysis (FEA). After analyzing the FEA results, design solutions were proposed to improve the strength and fatigue life of the tripod shaft. Furthermore, the deterioration trend and time for failure of the tripod shaft were verified using the hysteresis loops which had been changed with the advancement of the torsional fatigue test.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.9
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pp.1137-1143
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2010
This paper presents a fatigue design method for plug- and ring-type gas-welded joints, which takes into account the effects of welding residual stress. To develop this method, we simulated the gas-welding process by performing nonlinear finite element analysis (FEA) To validate the FEA results, numerically calculated residual stresses in the gas welds were then compared with experimental results obtained by the hole-drilling method. To evaluate the fatigue strength of plug- and ring-type gas-welded joints influenced by welding residual stresses, the use of stress amplitude $(\sigma_a)_R$, which includes the welding residual stress in gas welds, is proposed $(\sigma_a)_R$ on the basis of a modified Goodman equation that includes the residual stress effects. Using the stress amplitude $(\sigma_a)_R$ at the hot spot point of gas weld, the relations obtained as the fatigue test results for plug and ring type gas welded joints having various dimensions and shapes were systematically rearranged to obtain the $(\sigma_a)_R-N_f$ relationship. It was found that more systematic and accurate evaluation of the fatigue strength of plug- and ring-type gas-welded joints can be achieved by using $(\sigma_a)_R$.
Fixed connection is generally used for beam and column connections of concrete structures, but significant damages at the connection due to severe earthquakes have been reported. In order to reduce damages of the connection and improve seismic performance of the connection, several innovative connections have been suggested. One newly proposed connection type allows a rotation of the connection for applications in rotating or rocking beams, columns, and shear walls. Such structural elements would provide a nonlinear lateral force-displacement response since their contact depth developed during rotation is gradually reduced and the stress across the sections of the elements is non-linearly distributed around a contact area, which is called an elastic hinge region in the present study. The purpose of the present study is to define the elastic hinge region or length for the rocking columns, through investigating the cross-sectional stress distribution during their lateral behavior. Performing a finite element analysis (FEA), several parameters are considered including axial load levels (5% and 10% of nominal strength), different boundary conditions (confined-ends and cantilever types), and slenderness ratios (length/depth = 5, 7, 10). The FEA results showed that the elastic hinge length does not directly depend on the parameters considered, but it is governed by a contact depth only. The elastic hinge length started to develop after an opening state and increased non-linearly until a rocking point(pre-rocking). However, the length did not increase any more after the rocking point (post-rocking) and remained as a constant value. Half space model predicting the elastic hinge length is adapted and the results are compared with the numerical results.
Kim, Dong-Seong;Yoo, Min-Young;Kim, Hee-Seong;Choi, Joo-Ho
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.6
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pp.635-642
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2014
In this paper, an efficient technique is developed to predict failure probability of three failure modes(case rupture, fracture and bolt breakage) related to solid rocket motor case due to the inner pressure during the mission flight. The overall procedure consists of the steps: 1) design parameters affecting the case failure are identified and their uncertainties are modelled by probability distribution, 2) combustion analysis in the interior of the case is carried out to obtain maximum expected operating pressure(MEOP), 3) stress and other structural performances are evaluated by finite element analysis(FEA), and 4) failure probabilities are calculated for the above mentioned failure modes. Axi-symmetric assumption for FEA is employed for simplification while contact between bolted joint is accounted for. Efficient procedure is developed to evaluate failure probability which consists of finding first an Most Probable Failure Point(MPP) using First-Order Reliability Method(FORM), next making a response surface model around the MPP using Latin Hypercube Sampling(LHS), and finally calculating failure probability by employing Importance Sampling.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.20
no.9
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pp.175-181
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2019
In the case of a conventional single stage decompression regulator used for large depressurization in the hydrogen fuel cell system of a fuel cell electric vehicle (FCEV), problems can arise, such as pulsation, slow response, hydrogen brittleness, leakage, high weight, and high cost due to high decompression. Most of these problems can be overcome easily using two decompression mechanisms (two-stage structures). In addition, a wide outlet-pressure control range can be secured if an electronic solenoid is applied to the second decompression. Accordingly, it is necessary to improve the precision of the outlet pressure of a two-stage pressure-reducing regulator and develop techniques, such as leakage prevention, durability, light weight, and price reduction. Therefore, to improve the outlet pressure accuracy and prevent leakage, the structural part before and after decompression to improve the air tightness were divided and the analysis was carried out assuming that the valve part was closed (open ratio: 0%) after each initial internal pressure application.
Analyzing the collapse behavior of thin-walled steel structures holds significant importance in ensuring their safety and longevity. Geometric imperfections present on the surface of metal materials can diminish both the durability and mechanical integrity of steel shells. These imperfections, encompassing local geometric irregularities and deformations such as holes, cavities, notches, and cracks localized in specific regions of the shell surface, play a pivotal role in the assessment. They can induce stress concentration within the structure, thereby influencing its susceptibility to buckling. The intricate relationship between the buckling behavior of these structures and such imperfections is multifaceted, contingent upon a variety of factors. The buckling analysis of thin-walled steel shell structures, similar to other steel structures, commonly involves the determination of crucial material properties, including elastic modulus, shear modulus, tensile strength, and fracture toughness. An established method involves the emulation of distributed geometric imperfections, utilizing real test specimen data as a basis. This approach allows for the accurate representation and assessment of the diversity and distribution of imperfections encountered in real-world scenarios. Utilizing defect data obtained from actual test samples enhances the model's realism and applicability. The sizes and configurations of these defects are employed as inputs in the modeling process, aiding in the prediction of structural behavior. It's worth noting that there is a dearth of experimental studies addressing the influence of geometric defects on the buckling behavior of cylindrical steel shells. In this particular study, samples featuring geometric imperfections were subjected to experimental buckling tests. These same samples were also modeled using Finite Element Analysis (FEM), with results corroborating the experimental findings. Furthermore, the initial geometrical imperfections were measured using digital image correlation (DIC) techniques. In this way, the response of the test specimens can be estimated accurately by applying the initial imperfections to FE models. After validation of the test results with FEA, a numerical parametric study was conducted to develop more generalized design recommendations for the stainless-steel shell structures with the initial geometric imperfection. While the load-carrying capacity of samples with perfect surfaces was up to 140 kN, the load-carrying capacity of samples with 4 mm defects was around 130 kN. Likewise, while the load carrying capacity of samples with 10 mm defects was around 125 kN, the load carrying capacity of samples with 14 mm defects was measured around 120 kN.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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