This paper presents a fully coupled three-dimensional solver for the analysis of interaction between pulsatile flow and large deformation structure. A partitioned time marching algorithm is employed for the solution of the time dependent coupled discretised problem, enabling the use of highly developed, robust and well-tested solvers for each field. Conservative transfer of information at the fluid-structure interface is combined with an effective multi-predict-correct iterative scheme to enable implicit coupling of the interacting fields at each time increment. The three-dimensional unsteady incompressible fluid is solved using a powerful implicit time stepping technique and an ALE formulation for moving boundaries with second-order time accurate is used. A full spectrum of total variational diminishing (TVD) schemes in unstructured grids is allowed implementation for the advection terms and finite element shape functions are used to evaluate the solution and its variation within mesh elements. A finite element dynamic analysis of the highly deformable structure is carried out with a numerical strategy combining the implicit Newmark time integration algorithm with a Newton-Raphson second-order optimisation method. The proposed model is used to predict the wave flow fields of a particular flow-induced vibrational phenomenon, and comparison of the numerical results with available experimental data validates the methodology and assesses its accuracy. Another test case about three-dimensional biomedical model with pulsatile inflow is presented to benchmark the algorithm and to demonstrate the potential applications of this method.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.35
no.5
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pp.267-275
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2022
Using a nonconforming mesh in enrichment methods results in several numerical issues induced by discontinuities and singularities found within the solution spaces, including the computational overhead during integration. In this study, we present a novel enrichment technique based on the selective expansion technique of moment fitting (Düster and Allix, 2020). In particular, two modifications are proposed to address the inefficiency during the integration process. First, a feedforward artificial neural network is introduced to correlate the implicit functions and integration moments. Through numerical examples, it is shown that the efficiency of the method is greatly improved when compared with existing expansion techniques, whereas the solution accuracy is maintained. Additionally, the finite element and domain representation grids are separated, which in turn improves the solution accuracy even for coarse mesh conditions.
A realtime simulator using an explicit integration method is introduced to improve the solving performance for the dynamic analysis of a wheeled vehicle. Because a full vehicle system has many parts, the development of a numerical technique for multiple d.o.f. and ground contacts has been required to achieve a realtime dynamics analysis. This study proposes an efficient realtime solving technique that considers the wheeled vehicle dynamics behavior with full degrees of freedom and wheel contact with soft ground such as sand or undersea ground. A combat vehicle was developed to verify this method, and its dynamics results are compared with commercial programs using implicit integration methods. The combat vehicle consists of a chassis, double wishbone type front and rear suspension, and drive train. Some cases of vehicle dynamics analysis are carried out to verify the realtime ratio.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.275-282
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2007
In this study, a fluid-structure interaction (FSI) analysis system has been developed in order to evaluate the turbine cascade performance with blade structural deformation effect. Relative movement of the rotor with respect to stator is reflected by modeling independent two computational domains. To consider the deformed position of rotor airfoil, dynamic moving grid method is applied. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with one equation Spalart-Allmaras and two-equation SST $k-{\varepsilon}$ turbulence models are solved to predict unsteady fluid dynamic loads. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method with high artificial damping is used to compute the fluid-structure interaction problem. Cascade performance evaluations for different elastic axis positions are presented and compared each other. It is importantly shown that the predicted aerodynamic performance considering structural deformation effect of blade can show some deviations compared to the data generally computed from rigid blade configurations and the position of elastic axis also tend to give sensitive effect.
This paper presents a novel ARAP (as-rigid-as-possible) approach to real-time simulation of physics-based deformation. To cope with one, two and three dimensional deformable bodies in an efficient, robust and uniform manner, we introduce a deformation graph of oriented particles and formulate the corresponding ARAP deformation energy. For stable time integration of the oriented particles, we develop an implicit integration scheme formulated in a variational form. Our method seeks the optimal positions and rotations of the oriented particles by iteratively applying an alternating local/global optimization scheme. The proposed method is easy to implement and computationally efficient to simulate complex deformable models in real time.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.16
no.9
s.114
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pp.937-948
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2006
In this study, a fluid/structure coupled analysis system for simulating complex flow-induced vibration (FIV) phenomenon of cascades has been developed. The flow is modeled using Euler and Wavier-Stokes equations with different turbulent models. The fluid domains are modeled using the unstructured grid system with dynamic deformations due to the motion of structural boundary. The Spalart-Allmaras (S-A) and the SST ${\kappa}-{\omega}$ turbulent models are used to predict the transonic turbulent flows. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used in order to solve the coupled governing equations for viscous flow-induced vibration phenomena. For the purpose of validation for the developed FIV analysis system, comparison results for computational analyses of steady and unsteady aerodynamics and flutter analyses are presented in the transonic flow region. In addition, flow-induced vibration analyses for the isolated cascade and multi-blades cascade models have been conducted to show the physical fluid-structure interaction effects in the time domain.
A constitutive equation was implemented in order to model the behavior in overall ranges from small to large strains, which is based on anisotropic hardening rule and total stress concept. The constitutive model was implemented in ABAQUS code in which large deformation analysis can be performed accurately and efficiently. The formulation includes (1) finite strain plasticity on the basis of Jaumann stress rate, (2) implicit stress integration and (3) consistent tangent moduli. A large deformation analysis was performed with the constitutive model using ABAQUS program. In the analysis of an actual embankment, it was found that the proposed model was formulated accurately and efficiently.
Recently, the authors have developed a method for real-time dynamics of multibody systems, which combines a semi-recursive formulation to derive the equations of motion in dependent relative coordinates, along with an augmented Lagrangian technique to impose the loop closure conditions. The following numerical integration procedures, which can be grouped into the so-called structural integrators, were tested : trapezoidal rule, Newmark dissipative schemes, HHT rule, and the Generalized-${\alpha}$ family. It was shown that, for large multi body systems, Newmark dissipative was the best election since, provided that the adequate parameters were chosen, excellent behavior was achieved in terms of efficiency and robustness with acceptable levels of accuracy. In the present paper, the performance of the described method in combination with another group of integrators, the Implicit Runge-Kutta family (IRK), is analyzed. The purpose is to clarify which kind of IRK algorithms can be more suitable for real-time applications, and to see whether they can be competitive with the already tested structural family of integrators. The final objective of the work is to provide some practical criteria for those interested in achieving real-time performance for large and complex multibody systems.
This paper presents a mathematical model and simulation method for investigating the performance of set net systems and fish cage systems influenced by currents and waves. Both systems consist of netting, mooring ropes, a floating collar and sinkers. The netting and ropes were considered flexible structures and the floating collar was considered an elastic structure. Both were modeled on a mass-spring model. The structures were divided into finite elements and mass points were placed at the mid-point of each element, and the mass points were connected by mass-less springs. Each mass point was subjected to external and internal forces and the total force was calculated at every integration step. An implicit integration scheme was used to solve the nonlinear dynamic system. The computation method was applied to dynamic simulation of actual systems simultaneously influenced by currents and waves in order to evaluate their practicality. The simulation results improved our understanding of the behavior of the structure and provided valuable information concerning the optimized design of set net and fish cage systems exposed to an open ocean environment.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.793-802
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2006
In this study, a fluid/structure coupled analysis system for simulating complex flow-induced vibration (FIV) phenomenon of cascades has been developed. The flow is modeled using Euler and Wavier-Stokes equations with different turbulent models. The fluid domains are modeled using the unstructured grid system with dynamic deformations due to the motion of structural boundary. The Spalart-Allmaras (S-A) and the SST ${\kappa}-{\omega}$ turbulent models are used to predict the transonic turbulent flows. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used in order to solve the coupled governing equations for viscous flow-induced vibration phenomena. For the purpose of validation for the developed FIV analysis system, comparison results for computational analyses of steady and unsteady aerodynamics and flutter analyses are presented in the transonic flow region. In addition, flow-induced vibration analyses for the isolated cascade and multi-blades cascade models have been conducted to show the physical fluid-structure interaction effects in the time domain.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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