Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.12
no.3
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pp.101-108
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2004
A FEM-based efficient method is developed for the shape optimization of 2-D structures. The combined SLP and Simplex method are coupled with finite element analysis. Selected set of master nodes on the design boundaries are employed as design variables and assigned to move towards their normal directions. The other nodes along the design boundaries are grouped into the master node. By interpolating the repositioned master nodes, the B-spline curves are formed so that the rest mid-nodes efficiently settle down on the B-spline curves. Mesh smoothing scheme is also applied for the nodes on the design boundary to maintain most finite elements in good quality. Finally, a numerical implementation of optimum design of an automobile torque converter piston subjected to pressure and centrifugal loads is presented. The results shows additional weight up to 13% may be saved after the shape optimization.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.577-582
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2007
A variational formulation for plane elasticity problems is derived based on an isogeometric approach. The isogeometric analysis is an emerging methodology such that the basis functions in analysis domain arc generated directly from NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) geometry. Thus. the solution space can be represented in terms of the same functions to represent the geometry. The coefficients of basis functions or the control variables play the role of degrees-of-freedom. Furthermore, due to h-. p-, and k-refinement schemes, the high order geometric features can be described exactly and easily without tedious re-meshing process. The isogeometric sensitivity analysis method enables us to analyze arbitrarily shaped structures without re-meshing. Also, it provides a precise construction method of finite element model to exactly represent geometry using B-spline base functions in CAD geometric modeling. To obtain precise shape sensitivity, the normal and curvature of boundary should be taken into account in the shape sensitivity expressions. However, in conventional finite element methods, the normal information is inaccurate and the curvature is generally missing due to the use of linear interpolation functions. A continuum-based adjoint sensitivity analysis method using the isogeometric approach is derived for the plane elasticity problems. The conventional shape optimization using the finite element method has some difficulties in the parameterization of boundary. In isogeometric analysis, however, the geometric properties arc already embedded in the B-spline shape functions and control points. The perturbation of control points in isogeometric analysis automatically results in shape changes. Using the conventional finite clement method, the inter-element continuity of the design space is not guaranteed so that the normal vector and curvature arc not accurate enough. On tile other hand, in isogeometric analysis, these values arc continuous over the whole design space so that accurate shape sensitivity can be obtained. Through numerical examples, the developed isogeometric sensitivity analysis method is verified to show excellent agreement with finite difference sensitivity.
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.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.10a
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pp.62-69
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2002
With the development of CUP speed and graphic technology, real-time simulation of deformable object is embossed as an essential issue in engineering field. Recently, it has been applied to the surgical training and game animation with haptic force feedback. But real time simulation of deformable objects is not easy because of the conflicting demands of speed and low latency and physical accuracy. In this study, we present the implementation of boundary element method(BEM) which is combined with the nonuniform B-spline surface. It is working together with the real-time simulation technique and the geometry data is altered by handling control points without preprocessing routine.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.32
no.1
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pp.42-57
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1995
An efficient and accurate scheme has been constructed by taking advantages of the hi-quadratic spline scheme and the higher-order boundary element method selectively depending on computation domains. Boundary surfaces are represented by 8-node boundary elements to describe curved surfaces of a ship and its neighboring free surface more accurately. The variation of the velocity potential complies with the characteristics of the 8-node element on the body surface. But on the free surface, it is assumed to follow that of the hi-quadratic spline scheme. By which, the free surface solution is free from numerical damping and has better numerical dispersion property. As numerical examples, steady and unsteady Neumann-Kelvin problems are considered. Numerical results for a submerged spheroid, Series 60($C_B=0.6$) and a modified support the proposed method. Finally, a new upstream radiation condition is derived using a wave equation operator in order to deal with problems for subcritical reduced frequency. The relevance of this operator has been confirmed in the case of unsteady Kelvin source potential.
A new numerical model based on the spline finite strip method is presented here for the analysis of buckling of built-up columns with and without end stay plates. The channels are modelled with spline finite strips while the connecting elements are represented by a 3D beam finite element, for which the stiffness matrix is modified in order to ensure complete compatibility with the strips. This numerical model has the advantage to give all possible failure modes of built-up columns for different boundary conditions. The end stay plates are also taken into account in this method. To validate the model a comparative study was carried out. First, a general procedure was chosen and adopted. For each numerical analysis, the lowest buckling loads and modes were calculated. The basic or "pure" buckling modes were identified and their critical loads were compared with solutions obtained using analytical methods and/or other numerical methods. The results showed that the proposed numerical model can be used in practice to study the elastic buckling of built-up columns. This model is considered accurate and efficient for the local buckling of short columns and global buckling for slender columns.
Il-Ryong Park;Ho-Hwan Chun;Sung-Hwan Kim;Dong-Dai Ha
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.35
no.3
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pp.1-13
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1998
In the present paper, the hydrodynamic characteristics of three dimensional hydrofoils moving with a constant speed below the free surface using a higher-order boundary element method based on 9-node Lagrangian curvilinear elements are investigated. A bi-quadratic spline scheme is employed to improve the numerical results on the free surface. To validate the present scheme, the calculated results are compared with the analytic solutions for a submerged sphere and a spheroid showing a good agreement. For the validation of the hydrofoil study, the computed lift and drag of a hydrofoil having $NACA64_{1}A412$ section with aspect ratio(A.R.) of 4 are compared with the experimental data by Wadlin et al.[28]. The comparison covers a number of variations of angle of attack and submergence depth. Then, using an A.R. hydrofoil with NACA0012 section, the free surface on the lift and drag are investigated and these are compared with the previous results. The wave elevations and patterns created by the aforementioned submerged bodies are also investigated with Froude numbers and submergences.
In this study, the numerical solution of a space-fractional Burgers' equation with initial and boundary conditions is considered. This equation is the simplest nonlinear model for diffusive waves in fluid dynamics. It occurs in a variety of physical phenomena, including viscous sound waves, waves in fluid-filled viscous elastic pipes, magneto-hydrodynamic waves in a medium with finite electrical conductivity, and one-dimensional turbulence. The proposed QBS/CNG technique consists of the Galerkin method with a function basis of quadratic B-splines for the spatial discretization of the space-fractional Burgers' equation. This is then followed by the Crank-Nicolson approach for time-stepping. A linearized scheme is fully constructed to reduce computational costs. Stability analysis, error estimates, and convergence rates are studied. Finally, some test problems are used to confirm the theoretical results and the proposed method's effectiveness, with the results displayed in tables, 2D, and 3D graphs.
Katili, Irwan;Aristio, Ricky;Setyanto, Samuel Budhi
Structural Engineering and Mechanics
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v.76
no.4
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pp.435-449
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2020
This work presents the formulation of the isogeometric collocation method to solve the strong form equation of a unified and integrated approach of Reissner Mindlin plate theory (UI-RM). In this plate theory model, the total displacement is expressed in terms of bending and shear displacements. Rotations, curvatures, and shear strains are represented as the first, the second, and the third derivatives of the bending displacement, respectively. The proposed formulation is free from shear locking in the Kirchhoff limit and is equally applicable to thin and thick plates. The displacement field is approximated using the B-splines functions, and the strong form equation of the fourth-order is solved using the collocation approach. The convergence properties and accuracy are demonstrated with square plate problems of thin and thick plates with different boundary conditions. Two approaches are used for convergence tests, e.g., increasing the polynomial degree (NELT = 1×1 with p = 4, 5, 6, 7) and increasing the number of element (NELT = 1×1, 2×2, 3×3, 4×4 with p = 4) with the number of control variable (NCV) is used as a comparable equivalent variable. Compared with DKMQ element of a 64×64 mesh as the reference for all L/h, the problem analysis with isogeometric collocation on UI-RM plate theory exhibits satisfying results.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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