An approximate analytical solution of a nonlinear hydro-thermo coupled diffusion equation is derived using the dimensionless form of the equation and transformation method. To derive an analytical solution, it is drastically assumed that the product of first order derivatives in the non-dimensionalized governing equation has little influence on the solution of heat and moisture behavior problem. The validity of this drastic assumption is demonstrated. Some numerical simulation is performed to investigate the applicability of a derived approximate analytical solution. The results show a good agreement between analytical and numerical solutions. The proposed solution may provide a useful tool in the verification process of the numerical models. Also, the solution can be used for the analysis of one-dimensional coupled heat and moisture movements in unsaturated porous media.
This paper presents an analytical solution to predict the transient temperature distribution in fillet arc welding. The analytical solution is obtained by solving a transient three -dimensional heat conduction equation with convection boundary conditions on the surfaces of an infinite plate with finite thicknesses, and mapping an infinite plate onto the fillet weld geometry with energy equation. The electric arc heat input on fillet weld and on infinite plate is assumed to have a traveling bivariate Gaussian distribution. To check the validity of the solution, GTA and FCA welding experiments were performed under various welding conditions. The actual isotherms of the weldment cross - sections at various distances from the arc start point are compared with those of simulation result. As the result shows a satisfactory accuracy, this analytical solution can be used to predict the transient temperature distribution in the fiIIet weld of finite thickness under a moving bivariate Gaussian distributed heat source. The simplicity and short calculation time of the analytical solution provides rationales to use the analytical solution for modeling the welding control systems or for an optimization tool of welding process parameters.
This paper explores the analytical buckling solution of rectangular thin plates by the finite integral transform method. Although several analytical and numerical developments have been made, a benchmark analytical solution is still very few due to the mathematical complexity of solving high order partial differential equations. In solution procedure, the governing high order partial differential equation with specified boundary conditions is converted into a system of linear algebraic equations and the analytical solution is obtained classically. The primary advantage of the present method is its simplicity and generality and does not need to pre-determine the deflection function which makes the solving procedure much reasonable. Another advantage of the method is that the analytical solutions obtained converge rapidly due to utilization of the sum functions. The application of the method is extensive and can also handle moderately thick and thick elastic plates as well as bending and vibration problems. The present results are validated by extensive numerical comparison with the FEA using (ABAQUS) software and the existing analytical solutions which show satisfactory agreement.
PURPOSES : In this paper, the analytical solutions suggested to simulate the behavior of rheological fluids were rigorously re-derived and investigated for fixed conditions to evaluate the applicability for the solutions on a mini-cone slump test of cement paste. The selected solutions with proper boundary conditions can be used as reference solutions to evaluate the performance of numerical simulation approaches, such as the discrete element method. METHODS : The slump, height, and spread radius for the given boundary and yield stress conditions that are determined by five different analytical solutions are compared. RESULTS : The analytical solution based on fluid mechanics for pure shear flow shows similar results to that for intermediate flow at low yield stresses. The fluid mechanics-based analytical solution resulted in a very similar trend to the geometry-based analytical solution. However, it showed a higher slump at high yield stress and lower slump at low yield stress ranges than the geometry-based analytical model. The analytical solution based on the mini-cone geometry was not significantly affected by the yield criteria, such as von Mises and Tresca. CONCLUSIONS : Even though differences among the analytical solutions in terms of slump and spread radius existed, the difference can be considered insignificant when the solutions were used as reference to evaluate the appropriateness of numerical approaches, such as the discrete element method.
Streamline simulation researches have been extensively accomplished due to the swiftness of computation and the reduction of numerical dispersion. In this study, we developed a streamline simulation model using a semianalytical solution of ID transport equation. To validate accuracy of the developed model, we compared simulation results of contaminant transport, which were acquired by streamline simulation models using an analytical solution, a numerical solution, and a semianalytical solution. The developed model using the semianalytical solution matched well with the model using an analytical solution. However, streamline simulation model using a numerical solution showed numerical dispersion. For an advection-dominant flow, there was little difference in the simulation results between the developed model and tile analytical model, but the differences between the analytical model and the numerical model were cleary shown. From the comparison of computing time we know that the streamline simulation using the semianalytical solution is 2-60 times as fast as the streamline simulation using the numerical solution.
An analytical solution has been developed for the impact response of delaminated composite plates. The analysis is based on an expansion of loads, displacements, and rotations in a Fourier series which satisfies the end boundary conditions of simply-supported. The analytical formulation adopts the Laplace transformation technique, requiring a linearization of contact deformation. In this paper, the nonlinear contact stiffness is replaced by a linearized stiffness, to provide an estimate of the additional compliance due to contact area deformation effects. It has been shown that defects such as delaminations may be modeled as spring stiffness. The change in the impact characteristics as this spring stiffness has been investigated theoretically. Predicted impact responses using analytical solution are compared with the numerical ones from the 3-D non-linear finite element model. From the results, it is shown that analytical solution was found to be reliable for predicting the impact response.
This paper deals with eddy current loss analysis of Slotless Double sided Cored type permanent magnet linear generator by using analytical method, space harmonic method. In order to calculate eddy current, this paper derives analytical solution by the Maxwell equation, magnetic vector potential, Faraday's law and a two-dimensional(2-D) cartesian coordinate system. First, we derived the armature reaction field distribution produced by armature wingding current. Second, by using derived armature reaction field solution, the analytical solution for eddy current density distribution are also obtained. Finally, the analytical solution for eddy current loss induced in permanent magnets(PMs) are derived by using equivalent, electrical resistance calculated from PMs volume and eddy current density distribution solution. The analytical result from space harmonic method are validated extensively by comparing with finite element method(FEM).
Huifang Li;Mi Zhao;Jingqi Huang;Weizhang Liao;Chao Ma
Earthquakes and Structures
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제24권1호
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pp.65-79
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2023
A simplified analytical solution for seismic response of tunnel cross section in horizontally layered ground subjected to oblique incidence of SH wave is deduced in this paper. The proposed analytical solution consists of two main steps: free-field response in layered field and tunnel response. The free field responses of the layered ground are obtained by one-dimensional finite element method in time domain. The tunnel lining is treated as a thick-wall cylinder to calculate the tunnel response, which subject to free field stress. The analytical solutions are verified by comparing with the dynamic numerical results of two-dimensional ground-lining interaction analysis under earthquake in some common situations, which have a good agreement. Then, the appropriate range of the proposed analytical solution is analyzed, considering the height of the layered ground, the wavelength and incident angle of SH wave. Finally, by using the analytical solutions, the effects of the ground material, burial depth of the tunnel, and lining thickness and the slippage effect at the ground-lining interface on the seismic response of tunnels are investigated. The proposed solution could serve as a useful tool for seismic analysis and design of tunnels in layered ground.
An analytical method is presented to solve the elastodynamic problem of finitely long hollow cylinder subjected to torsional impact often occurs in engineering mechanics. The analytical solution is composed of a solution of quasi-static equation satisfied with the non-homogeneous boundary condition and a solution of dynamic equation satisfied with homogeneous boundary condition. The quasi-static solution is obtained directly by solving the quasi-static equation satisfied with the non-homogeneous boundary condition. The solution of the non-homogeneous dynamic equation is obtained by means of finite Hankel transform on the radial variable, r, Laplace transform on time variable, t, and finite Fourier transform on axial variable, z. Thus, the solution for finitely long, hollow cylinder subjected to torsion impact is obtained. In the calculating examples, the response histories and distributions of shear stress in the finitely long hollow cylinder subjected to an exponential decay torsion load are obtained, and the results have been analyzed and discussed. Finally, a dynamic finite element for the same problem is carried out by using ABAQUS finite element analysis. Comparing the analytical solution with the finite element solution, it can be found that two kinds of results obtained by means of two different methods agree well. Therefore, it is further concluded that the analytical method and computing process presented in the paper are effective and accurate.
간극수압을 받는 지반보의 응력-변형률 거동 분석을 위해 해석해와 유한요소해석결과를 정량적으로 상호 비교해 보았다. 유한요소해석을 통해 얻은 수평응력은 해석해에 의한 결과와는 달리 지반보의 수평축에 대하여 대칭성을 보이지 않았으나 요소의 개수가 증가함에 따라 대칭에 가까운 형태를 보였다. 해석해에 의한 수평응력을 유한요소의 가우스점에 대하여 얻은 수평응력과 비교해 볼 때 3개의 요소를 고려한 유한요소해석을 통해 얻은 인장응력의 값은 해석해에 의한 최대 인장응력값의 6% 였고 압축응력의 값은 해석해에 의한 최대값의 37% 였다. 6개의 요소를 고려한 유한요소해석을 통해 얻은 인장응력의 값은 해석해를 통해 얻은 최대값의 61% 였고 압축응력의 값은 해석해를 통해 얻은 최대값의 83% 였다. 지반보 내에 발생되는 연직응력은 해석해에 의할 경우 보의 깊이에 따라 연속적인 분포양상을 보인다. 유한요소해석에 의한 연직응력은 유한요소를 구성하는 요소에 따라 이산적인 분포를 보이는데 요소내의 4개의 가우스점에 대하여 얻은 평균 연직응력은 지반보에 작용하는 간극수압의 크기에 가까운 값을 보였다. 지반보의 중앙 근처에서의 연직변위량을 비교해 볼 때 3개의 요소로 구성된 지반보에 대한 유한요소해석을 통해 얻은 값은 해석해에 의한 값의 35% 였으며 6개의 요소로 구성된 지반보에 대한 유한요소해석을 통해 얻은 값은 해석해에 의한 값의 57% 였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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