The smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is a numerical technique used in dynamic analysis to simulate the fluid-like behavior of materials under extreme conditions, such as those encountered in explosions or high velocity impacts. In SPH, fluid or solid materials are discretized into particles. These particles interact with each other based on certain smoothing kernels, allowing the simulation of fluid flows and predict the response of solid materials to shock waves, like deformation, cracking or failure. One of the main advantages of SPH is its ability to simulate these phenomena without a fixed grid, making it particularly suitable for analyzing complex geometries. In this study, the structural damage to a masonry arch bridge subjected to blast loading was investigated. A high-fidelity micro-model was created and the explosives were modeled using the SPH approach. The Johnson-Holmquist II damage model and the Mohr-Coulomb material model were considered to evaluate the masonry and backfill properties. Consistent with the principles of the JH-II model, the authors developed a VUMAT code. The explosive charges (50 kg, 168 kg, 425 kg and 1000 kg) were placed in close proximity to the deck and pier of a bridge. The results showed that the 50 kg charges, which could have been placed near the pier by a terrorist, had only a limited effect on the piers. Instead, this charge caused a vertical displacement of the deck due to the confinement effect. Conversely, a 1000 kg TNT charge placed 100 cm above the deck caused significant damage to the bridge.
It is important to maintain cladding integrity in spent nuclear fuel management. This study proposes a numerical analysis method to evaluate the fracture resistance of irradiated zirconium alloy cladding under pinch load known to cause Mode-III failure. The mechanical behavior and fracture of the cladding under pinch loading can be evaluated by a Ring Compression Test (RCT). To simulate the fracture of hydride precipitates, zirconium matrix, and Zr/hydride interfaces under the stress field generated by RCT, a micro-structure crack propagation simulation method based on Continuum Damage Mechanics (CDM) has been proposed. Our RCT simulation model was constructed from microscopic images of irradiated cladding. In this study, we developed an automated process to generate a pixel-based finite element model by separating the hydride precipitates, zirconium matrix, and interfaces using an image segmentation method. The appropriate element size was selected to ensure the efficiency and accuracy of a crack propagation simulation. The load-displacement curves and strain energies from RCT were compared and analyzed with the simulation results of different element sizes. The finalized RCT simulation model can be used to establish the failure criterion of fuel rods under pinch loading. The advantages and limitations of the proposed method are fully discussed here.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.35
no.9
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pp.1041-1050
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2011
An elasto-plastic finite element method using the theory of strain gradient plasticity is proposed to evaluate the size dependency of structural plasticity that occurs when the configuration size decreases to micron scale. For this method, we suggest a low-order plane and three-dimensional displacement-based elements, eliminating the need for a high order, many degrees of freedom, a mixed element, or super elements, which have been considered necessary in previous researches. The proposed method can be performed in the framework of nonlinear incremental analysis in which plastic strains are calculated and averaged at nodes. These strains are then interpolated and differentiated for gradient calculation. We adopted a strain-gradient-hardening constitutive equation from the Taylor dislocation model, which requires the plastic strain gradient. The developed finite elements are tested numerically on the basis of typical size-effect problems such as micro-bending, micro-torsion, and micro-voids. With respect to the strain gradient plasticity, i.e., the size effects, the results obtained by using the proposed method, which are simple in their calculation, are in good agreement with the experimental results cited in previously published papers.
The five-story and seven-story stone pagodas at Cheongnyangsaji temple site in Gongju are located under the Sambulbong peak of Gyeryongsan mountain, and are known to have been built of the middle in Goryeo dynasty. As the two pagodas in which two types of Baekje stone pagoda coexist in one era, their historical and academic value are recognized. The seven-story pagoda was overturned by robbery in 1944, and as a result, the five-story pagoda was tilted. Although the two pagodas were restored in 1961, structural instability was continuously raised. In this study, measurement data accumulated from May 2021 to March 2022, and seasonal characteristics were reviewed, and the micro behavior of pagodas were analyzed according to temperature and precipitation during the same period. As a result, the micro thermoelastic behavior was repeated according to the daily temperature change in all sensors, and both the slope and the displacement showed microscale behavior. In the inclinometer, moisture containing the surface and inside of the stones repeated expansion and contraction due to temperature change, showing the micro movements. In particular, the upper part of the five-story pagoda moved up to 3.89° to the northwest, and the seven-story pagoda tilted up to 0.078° to the northeast. The maximum displacements were recorded as 0.127 and 0.149 mm in the five-story and the seven-story pagoda, respectively. These values tended to return to the original position at the end of the measurement, but did not recover completely, indicating a state requiring precise monitoring. The result obtained through the study can be used as basic data for the stable conservation of the two stone pagodas. Based on the behavioral characteristics considering various environmental factors should be analyzed, and the preventive conservation through the maintenance of measurement system built this time should be continued.
Tests of concrete CLWL-DCB specimens had been conducted with displacement-controlled dynamic loading. The crack velocities for 381mm crack extension were 0.80 mm/sec ~ 215m/sec. The external work and the kinetic and strain energies were derived from the measured external load and load-point displacement. The fracture resistance of a running crack was calculated from the fitted curves of the fracture energy required for the tests. The standard error of the fracture energy was less than 3.2%. The increasing rate of the fracture resistance for 28 mm initial crack extension or micro-cracking was relatively small, and then the slope of the fracture resistance increased to the maximum value at 90∼145 mm crack extension depending on crack velocity. The maximum fracture resistance remained for 185 mm crack extension, and then the faster crack velocity showed the faster decreasing rate of the maximum fracture resistance. The maximum fracture resistance increased proportionally to the logarithm of the crack velocity from 142 N/m to 217 N/m when the crack velocity was faster than 0.273 m/sec. The maximum fracture resistance of the fastest tests was similar to the average fracture energy density of 215 N/m. To measure the fracture resistance of concrete, the stable crack extension should be larger than 90∼145 mm depending on crack velocity.
Purpose: In this paper, we construct a detailed three-dimensional interface element using a three-dimensional analysis program, and evaluate the composite behavior stability of the connector by applying physical properties such as the characteristics of general members and those of reinforced members Method: The analytical model uses solid elements, including non-linear material behavior, to complete the modeling of beam structures, circular flanges, bolting systems, etc. to the same dimensions as the design drawing, with each member assembled into one composite behavior linkage. In order to more effectively control the uniformity and mesh generation of other element type contact surfaces, the partitioning was performed. Modeled with 50 carbon steel materials. Results: It shows the displacement, deformation, and stress state of each load stage by the contact adjoining part, load loading part, fixed end part, and vulnerable anticipated part by member, and after displacement, deformation, The effect of the stress distribution was verified and the validity of the design was verified. Conclusion: Therefore, if the design support of the micro pile is determined based on this result, it is possible to identify the Vulnerable Parts of the composite behavior connector and the degree of reinforcement.
Recently the monitoring system of tool setting in high speed precision machining center is required for manufacturing products that have highly complex and small shape, high precision and high function. It is very important to reduce time to setup tool in order to improve the machining precision and the productivity and to protect the breakage of cutting tool as the shape of product is smaller and more complex. Generally, the combination of errors that geometrical clamping error of fixing tool at the spindle of machining tool and the asynchronized error of driving mechanism causes that the run-out of tool reaches to 3$^{\sim}$20 times of the thickness of cutting chip. And also the run-out is occurred by the misalignment between axis of tool shank and axis of spindle and spindle bearing in high speed rotation. Generally, high speed machining is considered when the rotating speed is more than 8,000 rpm. At that time, the life time of tool is reduced to about 50% and the roughness of machining surface is worse as the run-out is increased to 10 micron. The life time of tool could be increased by making monitoring of tool-setup easy, quick and precise in high speed machining tool. This means the consumption of tool is much more reduced. And also it reduces the manufacturing cost and increases the productivity by reducing the tool-setup time of operator. In this study, in order to establish the concept of tool-setup monitoring the measuring method of the geometrical error of tool system is studied when the spindle is stopped. And also the measuring method of run-out, dynamic error of tool system, is studied when the spindle is rotated in 8,000${\sim}$60,000 rpm. The dynamic phenomena of tool-setup are analyzed by implementing the monitoring system of rotating tool system and the non-contact measuring system of micro displacement in high speed.
PARK, SEONGJE;KO, JUNSEOK;HONG, YONGJU;KIM, HYOBONG;YEOM, HANKIL;IN, SEHWAN
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.26
no.6
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pp.638-644
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2015
This paper describes the continuing effort to analysis and design on dynamic and electrical behavior of gamma-type free piston Stirling engine/generator with dual-opposed linear generator for domestic micro-CHP (Combined Heat and Power) system. The double acting Stirling engine/generator has one displacer and two power piston which are supported by flexure springs. Two power pistons oscillate with symmetric sinusoidal displacement and are connected with moving magnet type linear generators for power generation. To operate Stirling engine/generator, combustion heat of natural gas is supplied to hot-end and heat is rejected from cold-end by cooling water. The temperature difference across the displacer induces the oscillating motion, and it can be explained with mass-spring vibration system. The purpose of this paper is to describe the design process of linear generator for the double acting free-piston Stirling engine.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2004.10a
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pp.1066-1069
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2004
Recently the monitoring system of tool setup in high speed precision machining tool is required for manufacturing products that have highly complex and small shape, high precision and high function. It is very important to reduce time to setup tool in order to improve the machining precision and productivity and to protect the breakage of cutting tool as the shape of product is smaller and more complex. Generally, the combination of errors that geometrical clamping error of fixing tool at the spindle of machining center and the asynchronized error of driving mechanism causes that the run-out of tool reaches to 3∼20 times of the thickness of cutting chip. And also the run-out is occurred by the misalignment between axis of tool shank and axis of spindle and spindle bearing in high speed rotation. Generally, high speed machining is considered when the rotating speed is more than 8,000 rpm. At that time, the life time of tool is reduced to about 50% and the roughness of machining surface is worse as the run-out is increased to 10 micron. The life time of tool could be increased by making monitoring of tool-setting easy, quick and precise in high speed machining center. This means the consumption of tool is much more reduced. And also it reduces the manufacturing cost and increases the productivity by reducing the tool-setup time of operator. In this study, in order to establish the concept of tool-setting monitoring the measuring method of the geometrical error of tool system is studied when the spindle is stopped. And also the measuring method of run-out, dynamic error of tool system, is studied when the spindle is rotated in 8,000 ∼ 60,000 rpm. The dynamic phenomena of tool-setup is analyzed by implementing the monitoring system of rotating tool system and the noncontact measuring system of micro displacement in high speed.
We have developed a device for recording biological data by inserting three electrodes and a needle with an angular velocity sensor into the moth for the purpose of measuring the electromyogram of the flapping and the corresponding lift force. With this measurement, it is possible to evaluate the moth-physiological function of moths, and the amount of pesticides that insects are exposed to (currently LD50-based standards), especially the amount of chronic low-concentration exposure, can be reduced the dose. We measured and recorded 2-channel electromyography (EMG) and angular velocity corresponding to pitch angle (pitch-like angle) associated with wing flapping for 100 sweet potato hawkmoths (50 females and 50 males) with the animals suspended and constrained in air. Overall, the angular velocity and amplitude of EMG signals demonstrated high correlation, with a correlation coefficient of R = 0.792. In contrast, the results of analysis performed on the peak-to-peak (PP) EMG intervals, which correspond to the RR intervals of ECG signals, indicated a correlation between ΔF fluctuation and angular velocity of R = 0.379. Thus, the accuracy of the regression curve was relatively poor. Using a DC amplification circuit without capacitive coupling as the EMG amplification circuit, we confirmed that the baseline changes at the gear change point of wing flapping. The following formula gives the lift provided by the wing: angular velocity × thoracic weight - air resistance - (eddy resistance due to turbulence). In future studies, we plan to attach a micro radio transmitter to the moths to gather data on potential energy, kinetic energy, and displacement during free flight for analysis. Such physiological functional evaluations of moths may alleviate damage to insect health due to repeated exposure to multiple agrochemicals and may lead to significant changes in the toxicity standards, which are currently based on LD50 values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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