Based on finite element discretization, two linearization approaches to the defect-correction method for the steady incompressible Navier-Stokes equations are discussed and investigated. By applying $m$ times of Newton and Picard iterations to solve an artificial viscosity stabilized nonlinear Navier-Stokes problem, respectively, and then correcting the solution by solving a linear problem, two linearized defect-correction algorithms are proposed and analyzed. Error estimates with respect to the mesh size $h$, the kinematic viscosity ${\nu}$, the stability factor ${\alpha}$ and the number of nonlinear iterations $m$ for the discrete solution are derived for the linearized one-step defect-correction algorithms. Efficient stopping criteria for the nonlinear iterations are derived. The influence of the linearizations on the accuracy of the approximate solutions are also investigated. Finally, numerical experiments on a problem with known analytical solution, the lid-driven cavity flow, and the flow over a backward-facing step are performed to verify the theoretical results and demonstrate the effectiveness of the proposed defect-correction algorithms.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.5
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pp.566-582
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2018
A moored barge alongside quay can be influenced by a nearby passing ship and its ship-generated waves. In this study, a time-domain numerical method based on a three-dimensional potential flow solver is developed to investigate the passing ship problem with a moored barge alongside quay. Potential flows around the passing ship and the moored barge alongside a quay is directly solved by using a classical finite element method. Total computational meshes including a passing ship, a moored barge and a quay is updated at each step with an efficient re-mesh algorithm. To validate the developed numerical method, a conventional ship wave problem and a passing ship problem on the open sea has been solved and the solutions are compared with the existing data. Then, a series of numerical computations were carried out to investigate the passing ship effect on a moored barge alongside quay. The characteristics of the passing ship effects are studied with varying the simulation parameters such as passing ship speed, separation distance, wall distances and waves. Focus is made on hydrodynamic forces due to the passing ship effect and its ship waves.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.4
s.247
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pp.420-427
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2006
The structural and leakage integrity of steam generator tubes should be sustained against all postulated loads even if a crack is present. During the past three decades, most of the efforts with respect to integrity evaluation of steam generator tubes have been focused on limit load solutions but, recently, the applicability of elastic-plastic fracture mechanics was examined cautiously due to its effectiveness. The purpose of this paper is to introduce a testing method to estimate fracture resistance characteristics of steam generator tubes with a through-wall crack. Due to limited thickness and diameter, inevitably, the steam generator tubes themselves were tested instead of standard specimen or alternative ones. Also, a series of three dimensional elastic-plastic finite element analyses were carried out to derive closed-form estimation equations with respect to J-integral and crack extension for direct current potential drop method. Since the effectiveness of $J_{IC}$ as well as J-R curves was proven through comparison with those of standard specimens taken from pipes, it is believed that the proposed scheme can be utilized as an efficient tool for integrity evaluation of cracked steam generator tubes.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.10
no.3
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pp.383-391
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1986
Mode shapes and natural frequencies of the bell type shell are analyzed numerically by the finite element method. The impulse hammer method and the Fast Fourier Transform analyzer are used for the experimental test. All types of mode shapes are expressed by the computer graphics. Numerical solutions are good agreement with the experimental results. The sustaining sound of the typical bell-type shell depend upon the first flexural mode (0-2 mode) and the second flexural mode (0-3 mode), and their mode shapes are independent upon thickness Dangjwas, holes, and added mass effects. Asymmetric effects by Dangjwas, holes and added mass give rise to beat frequencies, and the added mass is found to be most effective.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.9
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pp.1320-1327
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2004
An efficient boundary-based technique is developed for addressing shape design sensitivity analysis in supercavitating flow problem. An analytical sensitivity formula in the form of a boundary integral is derived based on the continuum formulation for a general functional defined in potential flow problems. The formula, which is expressed in terms of the boundary solutions and shape variation vectors, can be conveniently used for gradient computation in a variety of shape design in potential flow problems. While the sensitivity can be calculated independent of the analysis means, such as the finite element method (FEM) or the boundary element method (BEM), the FEM is used for the analysis in this study because of its popularity and easy-to-use features. The advantage of using a boundary-based method is that the shape variation vectors are needed only on the boundary, not over the whole domain. The boundary shape variation vectors are conveniently computed by using finite perturbations of the shape geometry instead of complex analytical differentiation of the geometry functions. The supercavitating flow problem is chosen to illustrate the efficiency of the proposed methodology. Implementation issues for the sensitivity analysis and optimization procedure are also addressed in this flow problem.
In order to investigate the vibration characteristics of fluid-structure interaction problem, we modeled two identical rectangular plates coupled with fluid. A commercial computer code, ANSYS was used to perform finite element analysis and FEM solutions were compared with the experimental results to verify the finite element model. As a result, comparison of FEM and experiment showed good agreement, and the transverse vibration modes, in-phase and out-of-Phase, were observed alternately in the fluid-coupled system. The effect of fluid gap size on the fluid-coupled natural frequency were investigated. It was shown that the mode numbers increased, the normalized natural frequencies monotonically increased. And it was also found that an increase of the fluid gap reduced the coupled natural frequencies for the in-phase modes but increased the coupled natural frequencies for the out-of phase modes, and eventually converged to the results of an infinite fluid gap.
Conoidal shells are doubly curved stiff surfaces which are easy to cast and fabricate due to their singly ruled property. Application of laminated composites in fabrication of conoidal shells reduces gravity forces and mass induced forces compared to the isotropic constructions due to the high strength to weight ratio of the material. These light weight shells are preferred in the industry to cover large column free open spaces. To ensure design reliability under service conditions, detailed knowledge about different behavioral aspects of conoidal shell is necessary. Hence, in this paper, static bending, free and forced vibration responses of composite conoidal shells are studied. Lagrange's equation of motion is used in conjunction with Hamilton's principle to derive governing equations of the shell. A finite element code using eight noded curved quadratic isoparametric elements is developed to get the solutions. Uniformly distributed load for static bending analysis and three different load time histories for solution of forced vibration problems are considered. Eight different stacking sequences of graphite-epoxy composite and two different boundary conditions are taken up in the present study. The study shows that relative performances of different shell combinations in terms of static behaviour cannot provide an idea about how they will relatively behave under dynamic loads and also the fact that the points of occurrence of maximum static and dynamic displacement may not be same on a shell surface.
In this paper, a comparative study of the effects of soil modelling on the interaction between tunnelling in soft soil and adjacent piled structure is presented. Several three-dimensional finite element analyses are performed to study the deformation of pile caps and piles as well as tunnel internal forces during the construction of an underground tunnel. The soil is modelled by two material models: the simple, yet approximate Mohr Coulomb (MC) yield criterion; and the complex, but reasonable hardening soil (HS) model with hyperbolic relation between stress and strain. For the former model, two different values of the soil stiffness modulus ($E_{50}$ or $E_{ur}$) as well as two profiles of stiffness variation with depth (constant and linearly increasing) were used in attempts to improve its prediction. As these four attempts did not succeed, a hybrid representation in which the hardening soil is used for soil located at the highly-strained zones while the Mohr Coulomb model is utilized elsewhere was investigated. This hybrid representation, which is a compromise between rigorous and simple solutions yielded results that compare well with those of the hardening soil model. The compared results include pile cap movements, pile deformation, and tunnel internal forces. Problem symmetry is utilized and, therefore, one symmetric half of the soil medium, the tunnel boring machine, the face pressure, the final tunnel lining, the pile caps, and the piles are modelled in several construction phases.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.8
no.2
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pp.117-126
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2016
In this paper, a numerical procedure for the natural vibration analysis of plates with openings and carlings based on the assumed mode method is extended to assess their forced response. Firstly, natural response of plates with openings and carlings is calculated from the eigenvalue equation derived by using Lagrange's equation of motion. Secondly, the mode superposition method is applied to determine frequency response. Mindlin theory is adopted for plate modelling and the effect of openings is taken into account by subtracting their potential and kinetic energies from the corresponding plate energies. Natural and frequency response of plates with openings and carlings subjected to point excitation force and enforced acceleration at boundaries, respectively, is analysed by using developed in-house code. For the validation of the developed method and the code, extensive numerical results, related to plates with different opening shape, carlings and boundary conditions, are compared with numerical data from the relevant literature and with finite element solutions obtained by general finite element tool.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.355-362
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2004
An efficient boundary-based technique is developed for addressing shape design sensitivity analysis in various problems. An analytical sensitivity formula in the form of a boundary integral is derived based on the continuum formulation for a general functional defined in problems. The formula, which is expressed in terms of the boundary solutions and shape variation vectors, can be conveniently used for gradient computation in a variety of shape design problems. While the sensitivity can be calculated independent of the analysis means, such as the finite element method (FEM) or the boundary element method (BEM), the FEM is used for the analysis in this study because of its popularity and easy-to-use features. The advantage of using a boundary-based method is that the shape variation vectors are needed only on the boundary, not over the whole domain. The boundary shape variation vectors are conveniently computed by using finite perturbations of the shape geometry instead of complex analytical differentiation of the geometry functions. The supercavitating flow problem and fillet problem are chosen to illustrate the efficiency of the proposed methodology. Implementation issues for the sensitivity analysis and optimization procedure are also addressed in these problems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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