Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.29
no.4
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pp.114-131
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1992
In the present work, a two-dimensional boundary-value problem for a large amplitude motion is treated as an initial-value problem by satisfying the exact body-boundary and nonlinear free-surface boundary conditions. The present nonlinear numerical scheme is similar to that described by Vinje and Brevig(1981) who utilized the Cauchy's theorem and assumed the periodicity in the horizontal coordinate. In the present thesis, however, the periodicity in the horizontal coordinate is not assumed. Thus the present method can treat more realistic problems, which allow radiating waves to infinities. In the present method of solution, the original infinite fluid domain, is divided into two subdomains ; ie the inner and outer subdomains which are a local nonlinear subdomain and the truncated infinite linear subdomain, respectively. By imposing an appropriate matching condition, the computation is carried out only in the inner domain which includes the body. Here we adopt the nonlinear scheme of Vinje & Brevig only in the inner domain and respresent the solution in the truncated infinite subdomains by distributing the time-dependent Green function on the matching boundaries. The matching condition is that the velocity potential and stream function are required to be continuous across the matching boundary. In the computations we used, if necessary, a regriding algorithm on the free surface which could give converged stable solutions successfully even for the breaking waves. In harmonic oscillation problem, each harmonic component and time-mean force are obtained by the Fourier transform of the computed forces in the time domain. The numerical calculations are made for the following problems. $\cdot$ Forced harmonic large-amplitude oscillation(${\omega}{\neq}0,\;U=0$) $\cdot$ Translation with a uniform speed(${\omega}=0,\;U{\neq}0$) The computed results are compared with available experimental data and other analytical results.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.12
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pp.1555-1569
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2000
Numerical simulation of fluid flow with moving free surface has been carried out. For the free surface flow, a VOF(Volume of Fluid)-based algorithm utilizing a fixed grid system has been investigated. In order to reduce numerical smearing at the free surface represented on a fixed grid system, a new free surface tracking algorithm based on the donor-acceptor scheme has been presented. Novel features of the proposed algorithm are characterized as two numerical tools; the orientation vector to represent the free surface orientation in each cell and the baby-cell to determine the fluid volume flux at each cell boundary. The proposed algorithm can be easily implemented in any irregular non-uniform grid systems that are usual in finite element method (FEM). Moreover, the proposed algorithm can be extended and applied to the 3-D free surface flow problem without additional efforts. For computation of unsteady incompressible flow, a finite element approximation based on the explicit fractional step method has been adopted. In addition, the SUPG(streamline upwind/Petrov-Galerkin) method has been implemented to deal with convection dominated flows. Combination of the proposed free surface tracking scheme and explicit fractional step formulation resulted in an efficient solution algorithm. Validity of the present solution algorithm was demonstrated from its application to the broken dam and the solitary wave propagation problems.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.9
no.E
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pp.347-357
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1993
The Lagrangian grid-free numerical method, the discrete vortex method, was applied to solve the Navier-Stokes euqations. This method avoids the introduction of numerical viscosity swamping the real physical viscosity at high Reynolds number, unlike Eulerian method, e.g. finite difference and element methods. The boundary integral equation method for the potential flow solution was included to make the discrete vortex method more feasible for complex geometries. The fast adaptive multipole expansion method was incorporated to reduce the computational time from $O(N^2)$ to O(N) for the computations of vortex-vortex interactions. The test problems were air flow around one circular cylinder and two circular cylinders in tandem with various gaps. The numerical results were in excellent gareement with the experimental and other computational results. The applicabilty of the method was discussed with the indoor and the outdoor air pollution problems, especially the contaminant transport in the recirculation regions.
The high accurate simulation of very thin glue layers based on the finite element method is still connected to many problems which result from the necessity to construct a complicated mesh of essentially different sizes of elements. This can lead to a loss of accuracy, unstable calculations and even loss of convergence. However, the implementation of special transmission elements along the glue ling and special edge-elements in the near-edge region would lead to a dramatic decrease of number of finite elements in the mesh and thus, prevent unsatisfactory phenomena in numerical analysis and extensive computation time. The theoretical basis for such special elements is the knowledge about appropriate transmission conditions and the edge effects near the free boundary of the adhesive layer. Therefore, recently proposed so-called non-classical transmission conditions and the behavior near the free edge are investigated in the context of the single-lap tensile-shear test of adhesive technology.
Prediction of the product shape in sheet casting process is performed from the numerical simulation. A three-dimensional finite element method is used to investigate the flow behavior and to examine the effects of processing conditions on the sheet produced. Effects of inertia, gravity, surface tension and non-Newtonian viscosity on the thickness profile of the sheet are considered since the edge bead and the flow patterns in the chill roll region have great influence on the quality of the products. In the numerical simulation with free surface flows, the spine method is adopted to update the free surface, and the force-free boundary condition is imposed along the take-up plane to avoid severe singularity problems existing at the take-up plane. From the numerical results of steady isothermal flows of a generalized Newtonian fluid, it is shown that the draw ratio plays a major role in predicting the shape of the final sheet produced and the surface tension has considerable effect on the bead thickness ratio and the bead width fraction, while shear-thinning and/or tension-thickening viscosity affect the degree of neck-in.
Mahmoudi, Abdelkader;Benyoucef, Samir;Tounsi, Abdelouahed;Benachour, Abdelkader;Bedia, El Abbas Adda
Earthquakes and Structures
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v.14
no.2
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pp.117-128
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2018
In this research work, free vibrations of simply supported functionally graded plate resting on a Winkler-Pasternak elastic foundation are investigated by a new shear deformation theory. The influence of alternative micromechanical models on the macroscopic behavior of a functionally graded plate based on shear-deformation plate theories is examined. Several micromechanical models are tested to obtain the effective material properties of a two-phase particle composite as a function of the volume fraction of particles which continuously varies through the thickness of a functionally graded plate. Present theory exactly satisfies stress boundary conditions on the top and the bottom of the plate. The energy functional of the system is obtained using Hamilton's principle. The closed form solutions are obtained by using Navier technique, and then fundamental frequencies are found by solving the results of eigenvalue problems. Finally, the numerical results are provided to reveal the effect of explicit micromechanical models on natural fundamental frequencies.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.898-901
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2004
Since soil-structure interactions are one of the most important subjects in the structural/foundation engineering, much study concerning the soil-structure interactions had been carried out. One of typical structures related to the soil-structure interactions is the strip foundation which is basically defined as the beam or strip rested on or supported by the soils. At the present time, lack of studies on dynamic problems related to the strip foundations is still found in the literature. From these viewpoint, this paper aims to theoretically investigate dynamics of the circular strip foundations and also to present the practical engineering data for the design purpose. Differential equations governing the free, out-of-plane vibrations of such strip foundations are derived, in which effects of the rotatory and torsional inertias and also shear deformation are included although the warping of the cross-section is excluded. Governing differential equations subjected to the boundary conditions of corresponding end constraints are numerically solved for obtaining the natural frequencies and mode shapes by using the numerical integration technique and the numerical method of non-linear equation.
Shahabeddin Hatami;Mohammad J. Zarei;Seyyed H. Asghari Pari
Advances in nano research
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v.17
no.1
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pp.19-32
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2024
Functionally graded-carbon nanotube (FG-CNT) is expected to be a new generation of materials with a wide range of potential applications in technological fields such as aerospace, defense, energy, and structural industries. In this paper, an exact finite strip method for functionally graded-carbon nanotube sandwich plates is developed using first-order shear deformation theory to get the exact natural frequencies of the plates. The face sheets of the plates are made of FG-CNT with continuous and smooth grading based on the power law index. The equations of motion have been generated based on the Hamilton principle. By extracting the exact stiffness matrix for any strip of the sandwich plate as a non-algebraic function of natural frequencies, it is possible to calculate the exact free vibration frequencies. The accuracy and efficiency of the current method is established by comparing its findings to the results of the literature works. Examples are presented to prove the efficiency of the generated method to deal with various problems, such as the influence of the length-to-height ratio, the power law index, and a core-to-face sheet thickness of the single and multi-span sandwich plates with various boundary conditions on the natural frequencies. The exact results obtained from this analysis can check the validity and accuracy of other numerical methods.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.5
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pp.545-565
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2018
A numerical code is developed based on potential flow theory to investigate nonlinear sloshing in rectangular Liquefied Natural Gas (LNG) tanks under forced excitation. Using this code, internal free-surface elevation and sloshing loads on liquid tanks can be obtained both in time domain and frequency domain. In the mathematical model, acceleration potential is solved in the calculation of pressure on tanks and the artificial damping model is adopted to account for energy dissipation during sloshing. The Boundary Element Method (BEM) is used to solve boundary value problems of both velocity potential and acceleration potential. Numerical calculation results are compared with published results to determine the efficiency and accuracy of the numerical code. Sloshing properties in partially filled rectangular and membrane tank under translational and rotational excitations are investigated. It is found that sloshing under horizontal and rotational excitations share similar properties. The first resonant mode and excitation frequency are the dominant response frequencies. Resonant sloshing will be excited when vertical excitation lies in the instability region. For liquid tank under rotational excitation, sloshing responses including amplitude and phase are sensitive to the location of the center of rotation. Moreover, experimental tests were conducted to analyze viscous effects on sloshing and to validate the feasibility of artificial damping models. The results show that the artificial damping model with modifying wall boundary conditions has better applicability in simulating sloshing under different fill levels and excitations.
A four-variable shear deformation refined plate theory has been proposed for dynamic characteristics of smart plates made of porous magneto-electro-elastic functionally graded (MEE-FG) materials with various boundary conditions by using an analytical method. Magneto-electro-elastic properties of FGM plate are supposed to vary through the thickness direction and are estimated through the modified power-law rule in which the porosities with even and uneven type are approximated. Pores possibly occur inside functionally graded materials (FGMs) due the result of technical problems that lead to creation of micro-voids in these materials. The variation of pores along the thickness direction influences the mechanical properties. The governing differential equations and boundary conditions of embedded porous FGM plate under magneto-electrical field are derived through Hamilton's principle based on a four-variable tangential-exponential refined theory which avoids the use of shear correction factors. An analytical solution procedure is used to achieve the natural frequencies of embedded porous FG plate supposed to magneto-electrical field with various boundary condition. A parametric study is led to carry out the effects of material graduation exponent, coefficient of porosity, magnetic potential, electric voltage, elastic foundation parameters, various boundary conditions and plate side-to-thickness ratio on natural frequencies of the porous MEE-FG plate. It is concluded that these parameters play significant roles on the dynamic behavior of porous MEE-FG plates. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of MEE-FG plates with porosity phases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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