• Structural Engineering and Mechanics
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• 제13권2호
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• pp.135-154
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• 2002

This paper presents the convected material frame approach to study the nonlinear behavior of inelastic frame structures. The convected material frame approach is a modification of the co-rotational approximation by incorporating an adaptive convected material frame in the basic definition of the displacement vector and strain tensor. In the formulation, each discrete element is associated with a local coordinate system that rotates and translates with the element. For each load increment, the corresponding strain-displacement and nodal force-stress relationships are defined in the updated local coordinates, and based on the updated element geometry. The rigid body motion and deformation displacements are decoupled for each increment. This modified approach incorporates the geometrical nonlinearities through the continuous updating of the material frame geometry. A generalized nonlinear function is used to derive the inelastic constitutive relation and the kinematic hardening is considered. The equation of motion is integrated by an explicit procedure and it involves only vector assemblage and vector storage in the analysis by assuming a lumped mass matrix of diagonal form. Several numerical examples are demonstrated in close agreement with the solutions obtained by the ANSYS code. Numerical studies show that the proposed approach is capable of investigating large deflection of inelastic planar structures and providing an excellent numerical performance.

• 한국기계가공학회지
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• 제19권10호
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• pp.52-58
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• 2020

Bellows are corrugated mechanical elements used to absorb displacements or vibrations caused by temperature changes, pressure, earthquakes, waves, etc., which are welded to flanges or directly connected to pipes. Expansion joint bellows must not only be designed to sufficiently withstand the internal pressure of the pipes but also accommodate axial, transverse, and rotational deformations to minimize the transfer of forces to the sensitive components of the system. Bellows have various types of corrugations, but U-type bellows are most commonly used in general piping systems. In this study, the behavior of U-shaped one-, two-, and three-ply bellows with the same inner diameter under pressure and forced displacement was analyzed using the finite element method. The results were compared with the design formula in the Expansion Joint Manufacturers Association (EJMA)'s code. Manufacturer data were used for the applied pressure and force displacement. The behavioral characteristics of the three cases were compared via structural analysis because the stress levels will be different for each model, even if they have the same inner diameter. Since the analytical model has an axisymmetric shape but displacement occurs in the transverse direction, the finite element model was composed of 1/2 of the whole model, and ANSYS Workbench 17.2 was employed for the analysis.

• Steel and Composite Structures
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• 제16권2호
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• pp.157-185
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• 2014

This paper examines the behaviour of two types of practical open beam-to-tubular column connection details subjected to combined moment, axial and/or shear loads. Detailed continuum finite element models are developed and validated against available experimental results, and extended to deal with flexural, axial and shear load interactions. A numerical investigation is then carried out on the behaviour of selected connections with different stiffness and strength characteristics under various load combination scenarios. The influence of applied levels of axial tensile or compressive loads on the bending stiffness and capacity is examined and discussed. Additionally, the interaction effects between shear forces and co-existing bending and axial loads are examined and shown to be comparatively insignificant in terms of stiffness and capacity in most cases. It is also shown that the range of connections considered in this paper can provide rotational ductility levels in excess of those required under typical design scenarios. Based on these findings, a simplified component-based representation is proposed and described, and its ability to represent the connection response under combined loading is verified using results from detailed numerical simulations.

• 센서학회지
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• 제29권3호
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• pp.205-210
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• 2020

The aim of this study is to develop a vertical vibration compensator that attenuates the vertical vibration of ships. The vibration compensator was designed according to the principle of generating vertical excitation forces by rotating two eccentric bodies of the same mass in opposite directions at the same rotational speed. In addition, the structural stability was analyzed using the finite element method. The maximum stress in the drive shaft was 95.6 MPa, which was approximately 35% of the allowable stress of the shaft material (SM45C, 270 MPa). The acceleration signals of the vibrator compensator body and the testbed were determined to evaluate the efficiency of the vibration compensator and the designed excitation forces. Subsequently, the excitation forces were estimated based on the relationship between force and acceleration. The estimated results were very close to the theoretical values with an error of less than 3%.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권3호
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• pp.622-628
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• 2016

자동차에 부착하여 사용하는 자전거 캐리어 지지용 흡착 패드는 운행 중 임의의 진동과 원심력과 같은 과도한 동적 하중을 받을 수 있어, 구조 안전성의 검토가 중요하다. 이를 위해서는 유체-구조 연계 유한요소해석을 이용하여 패드의 하부 압력이 패드에 가해지는 하중이나 모멘트의 변화에 따라 실시간으로 변화하는 것을 고려하여야 하나, 실제 상황의 모델링이 어렵고 계산을 위한 소프트웨어 비용이 높은 단점이 있기도 하지만, 정확한 결과를 얻기도 어렵다. 따라서 이 논문에서는 실험과 전산적인 방법을 조합하여 활용하는 새로운 방법을 제시한다. 이는 변화하는 하중에 따라 패드 하부의 압력과 접촉 면적을 실시간으로 측정하고 여기서 얻어진 데이터를 비선형 탄성 유한요소해석에 입력하여 활용하는 방법이다. 개발 단계의 제품 형상으로 실험 및 계산을 수행한 결과, 마운트 패드는 축 방향 하중에 대해서는 비교적 안전하나, 회전 하중이 과도하게 작용할 경우 패드가 바닥으로부터 분리되거나 패드 표면에 국부적인 손상이 일어날 수 있어 안전 여유가 많지 않음을 보여주었다. 작용하는 하중의 크기 및 형태에 따라 변화하는 접촉 거동을 예측하는 결과는 실험 결과와 잘 일치하였다. 본 연구에서 제안하는 해석 방법은 유사한 흡착 패드 시스템을 설계할 때 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제26권1호
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• pp.1-7
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• 2013

본 논문에서는 해저케이블 부두 하역용 장비인 코일링 암(coiling arm)에 대한 국산화 자체개발 내용 중 구조설계 및 해석결과 내용을 제시하였다. 상세 구조설계를 위해 3차원 CAD 프로그램을 이용하여 고 정밀도의 모델링을 수행하였고, 유한요소 기법을 이용하여 전산구조해석을 수행하였다. 코일링 암의 활용 목적에 맞추어 하역대상 케이블을 선박에서 케이블 탱크로 하역시 효과적으로 가이드 할 수 있도록 베어링 및 롤러 부품을 설계하여 메인 암이 회전하고 케이블 가이드가 이동할 수 있도록 하였고, 기존의 외국 모델에서 사용하던 와이어 및 모터 시스템을 이용한 케이블 가이드 작동방식을 유압 시스템을 이용한 작동방식으로 변경하여 원가절감을 달성하면서 사용자가 직관적으로 작동할 수 있도록 설계하였다. 장비 자체의 자중 및 하역 케이블 하중조건에 대한 응력 해석을 수행하였고, 유압시스템의 과작동에 따른 파손 가능성을 고려하였다. 케이블 가이드의 운동 및 설치 지면의 경사도에 따른 전복 안전성 해석을 수행하였으며, 설치장소의 풍하중 효과도 추가로 고려하였다. 본 연구를 통해 기존 수입품 코일링 암의 작동방식 개선과 독자적인 구조설계 및 해석 방법을 확립하였으며, 실제 국내 최초로 자체 개발된 제품의 현장설치 완료 및 하역작업의 효율적이고 정상적인 운영을 완료 및 검증하였다.

• 대한기계학회논문집A
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• 제40권8호
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• pp.759-765
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• 2016

항공기 등에 사용되는 Flexible PTO(Power Take-Off) 샤프트는 스프링 특성을 좋게 하기 위해 여러장의 얇은 멤브레인을 용접한 형태로 1950년대에 이미 개발됐으며, AMAD(Aircraft Mounted Accessory Drive) 기어박스와 EMAD(Engine Mounted Accessary Drive) 기어박스 사이에서 회전동력을 전달한다. 이런 종류의 샤프트는 가볍고 특히 스프링 특성이 좋기 때문에 축 정렬이 틀어진 고속회전 상태에서도 안정적으로 회전동력을 전달할 수 있어 대부분의 전투기에 사용된다. 이번 연구에서 티타늄 합금으로 개발된 Flexible PTO 샤프트의 구조해석을 통해 제품의 안전성을 확인하였고, 실제 실험실에서 진행된 고속회전 시험에서 굽힘과 비틀림 부하를 동시에 인가하여 샤프트의 고주기 피로에 대한 내성을 실증하였다. 또한, 고주기 피로 시험 조건에서 항공기용 볼 조인트의 마모 특성 분석을 통해 수명을 예측하였다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제30권4호
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• pp.329-334
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• 2017

다양한 산업 분야의 구조물은 여러 부구조의 조합으로 구성되며, 시스템의 자유도 또한 무수히 많다. 높은 복잡성을 가지는 구조물의 해석 및 계산 효율을 향상시키기 위해서 해석 모델의 단순화 및 자유도 축소가 요구된다. 지난 50여 년 동안 규모가 큰 공학적 문제를 단순화하기 위해 다양한 부분구조화 기법들이 개발되어 왔다. 이러한 부분구조화 기법들은 Newton-Raphson 알고리즘 등과 같은 반복계산을 동반하는 비선형 구조해석 문제 해석에 매우 효과적이다. 본 논문에서는 기 개발된 비선형 부분구조화 기법 중의 하나인 모드미분(modal derivatives)을 이용하여 기하비선형 보의 모델 축소에 적용하고자 한다. 모드미분은 모드 기반 축소 기저의 2차항의 형태로, 선형모드의 조합으로 근사 가능한 변위벡터를 미소변위에 대한 Taylor 급수를 통해 확인할 수 있으며, 시스템의 고유치 문제를 모드 좌표로 미분을 함으로써 얻어진다. 모드미분에는 비선형 접선 강성행렬의 미분을 포함하고 있으며, 이는 유한차분법 등의 근사를 통해 계산할 수 있다. 제안된 방법론은 기하학적 비선형 문제에 우수한 성능을 보이는 동시회전 유한요소법에 적용하였다. 수치예제를 통해 보의 경계가 수평으로 움직일 수 있는 문제에서는 기존의 모드축소기법이 매우 비효율적임을 알 수 있었다. 한편 모드미분을 이용한 축소기법은 다양한 경계조건에 대하여 우수한 성능을 보임을 확인하였다.