Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.411-418
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2004
Using a level set method we develop a shape optimization method applied to energy flow problems in steady state. The boundaries are implicitly represented by the level set function obtainable from the 'Hamilton-Jacobi type' equation with the 'Up-wind scheme.' The developed method defines a Lagrangian function for the constrained optimization. It minimizes a generalized compliance, satisfying the constraint of allowable volume through the variations of implicit boundary. During the optimization, the boundary velocity to integrate the Hamilton-Jacobi equation is obtained from the optimality condition for the Lagrangian function. Compared with the established topology optimization method, the developed one has no numerical instability such as checkerboard problems and easy representation of topological shape variations.
Emadi, Maryam;Nejad, Mohammad Zamani;Ziaee, Sima;Hadi, Amin
Steel and Composite Structures
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v.39
no.5
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pp.565-581
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2021
In this paper the buckling analysis of the nanoplate made of arbitrary bi-directional functionally graded (BDFG) materials with small scale effects are investigated. To study the small-scale effects on buckling load, the Eringen's nonlocal theory is applied. Employing the principle of minimum potential energy, the governing equations are obtained. Generalize differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the buckling load of BDFG nanoplates. These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. Comparison between the results of GDQ method and other papers for buckling analysis of a simply supported rectangular nano FGM plate reveals the accuracy of GDQ method. At the end some numerical results are presented to study the effects of material length scale parameter, plate thickness, aspect ratio, Poisson's ratio boundary condition and side to thickness ratio on size dependent Frequency.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.10a
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pp.81-88
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2000
The elastic wave equation is solved using the finite-difference method in 3D space to simulate the seismic wave propagation. It is based on the velocity-stress formulation of the equation of motion on a staggered grid. The nonreflecting boundary conditions are used to attenuate the wave field close to the numerical boundary. To satisfy the stress-free conditions at the free-surface boundary, a new formulation combining the zero-stress formalism with the vacuum one is applied. The effective media parameters are employed to satisfy the traction continuity condition across the media interface. With use of the moment-tensor components, the wide range of source mechanism parameters can be specified. The numerical experiments are carried out in order to test the applicability and accuracy of this scheme and to understand the fundamental features of the wave propagation under the generalized elastic media structure. Computational results show that the scheme is sufficiently accurate for modeling wave propagation in 3D elastic media and generates all the possible phases appropriately in under the given heterogeneous velocity structure. Also the characteristics of the ground motion in an sedimentary basin such as the amplification, trapping, and focusing of the elastic wave energy are well represented. These results demonstrate the use of this simulation method will be helpful for modeling the ground motion of seismological and engineering purpose like earthquake hazard assessment, seismic design, city planning, and etc..
The development of unsteady three-dimensional incompressible viscous solver based on unsteady physical curvilinear coordinate system is presented. A 12-point finite analytic scheme based on local uniform grid spacing is extended for nonuniform grid spacing. The formulation of a condition is suggested to avoid the oscillation of the series summations produced by the application of the method of separation of variables. SIMPLER and pressure Poisson equation techniques are used for solving a velocity-pressure coupled problem. The matrix is solved using the Generalized Minimal RESidual (GMRES) method to enhance the convergence rate of unsteady flow solver and the Kinematic boundary condition of a free surface flow. It is demonstrated that the numerical solutions of these equations are less mesh sensitive.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2000.10a
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pp.369-376
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2000
For the general loading condition and boundary condition, it is very difficult to obtain closed-form solutions for buckling loads and natural frequencies of thin-walled structures because its behaviour is very complex due to the coupling effect of bending and torsional behaviour. Consequently most of previous finite element formulations introduced approximate displacement fields using shape functions as Hermitian polynomials, isoparametric interpoation function, and so on. The purpose of this study is to calculate the exact displacement field of a thin-walled straight beam element with the non-symmetric cross section and present a consistent derivation of the exact dynamic stiffness matrix. An exact dynamic element stiffness matrix is established from Vlasov's coupled differential equations for a uniform beam element of non-symmetric thin-walled cross section. This numerical technique is accomplished via a generalized linear eigenvalue problem by introducing 14 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. The natural frequencies are evaluated for the non-symmetric thin-walled straight beam structure, and the results are compared with available solutions in order to verify validity and accuracy of the proposed procedures.
No analytical solution exists for evaluating in-situ hydraulic conductivity of vertical cutoff walls by analyzing slug test results. Recently, an analytical solution to interpret slug tests has been proposed for a partially penetrated well in an aquifer. However, this analytical solution cannot be directly applied to the cutoff wall because the solution has been developed exclusively for an infinite aquifer instead of a narrow cutoff wall. To consider the cutoff wall boundary conditions, the analytical solution has been modified in this study to take into account the narrow boundaries by introducing the imaginary well theory. Two boundary conditions are considered according to the existence of filter cakes: constant head boundary and no flux boundary. Generalized steady-state shape factors are presented for each geometric condition, which can be used for evaluating the in-situ hydraulic conductivity of cutoff walls. The constant head boundary condition provides higher shape factors and no flux boundary condition provides lower shape factors than the infinite aquifer, which enables to adjust the in-situ hydraulic conductivity of the cutoff wall. The hydraulic conductivities calculated from the analytical solution in this paper give about 1.2~1.7 times higher than those from the Bouwer and Rice method, one of the semi-empirical formulas. Considering the compressibility of the backfill material, the analytical solution developed in this study was proved to correspond to the case of incompressible backfill materials.
Shin, Young Jae;Kwon, Kyung Mun;Yun, Jong Hak;Yoo, Yeong Chan;Lee, Ju Hyung
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.16
no.1
s.68
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pp.81-89
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2004
The vibration analysis of the circular arch as a member of a structure has been an important subject of mechanics due to its various applications to many industrial fields. In particular, circular arches with variable cross section are widely used to optimize the distribution of weight and strength and to satisfy special architectural and functional requirements. The Generalized Differential Quadrature Method (GDQM) and Differential Transformation Method (DTM) were recently proposed by Shu and Zou, respectively. In this study, GDQM and DTM were applied to the vibration analysis of circular arches with variable cross section. The governing equations of motion for circular arches with variable cross section were derived. The concepts of Differential Transformation and Generalized Differential Quadrature were briefly introduced. The non-dimensionless natural frequencies of circular arches with variable cross section were obtained for various boundary conditions. The results obtained using these methods were compared with those of previous works. GDQM and DTM showed fast convergence, accuracy, efficiency, and validity in solving the vibration problem of circular arches with variable cross section.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.37
no.1
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pp.67-81
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2000
An accurate and efficient numerical method for two-dimensional nonlinear radiation problem has been developed. The wave motion due to a moving body is described by the assumption of ideal fluid flow, and the governing Laplace equation can be effectively solved by the higher-order boundary element method with the help of the GMRES (Generalized Minimal RESidual) algorithm. The intersection or corner problem is resolved by utilizing the so-called discontinuous elements. The implicit trapezoidal rule is used in updating solutions at new time steps by considering stability and accuracy. Traveling waves caused by the oscillating body are absorbed downstream by the damping zone technique. It is demonstrated that the present method for time marching and radiation condition works efficiently for nonlinear radiation problem. To avoid the numerical instability enhanced by the local gathering of grid points, the regriding technique is employed so that all the grids on the free surface may be distributed with an equal distance. This makes it possible to reduce time interval and improve numerical stability. Special attention is paid to the local flow around the body during time integration. The nonlinear radiation force is calculated by the "acceleration potential technique". Present results show good agreement with other numerical computations and experiments.
In this paper, Coriolis effect on vibration behavior of a rotating rectangular plate made of functionally graded (FG) materials under thermal loading has been investigated. The material properties of the FG plate are supposed to get changed in parallel with the thickness of the plate and the thermal properties of the material are assumed to be thermo-elastic. In this research, the effect of hub size, rotating speed and setting angle are considered. Governing equation of motion and the associated boundary conditions are obtained by Hamilton's principle. Generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing differential equation with respect to cantilever boundary condition. The results were successfully verified with the published literatures. These results can be useful for designing rotary systems such as turbine blades. In this work, Coriolis and thermal effects are considered for the first time and GDQM method has been used in solving the equations of motion of a rotating FGM plate.
The main object of this study is to analyze mechanical behaviors as anisotropic three-dimensional body under various static loads. This paper presents the applicability of the finite difference method to three dimensional problem of anisotropic body. The finite difference method as applied here is generalized to anisotropic three-dimensional problem of elastic body where the governing differential equations of equilibrium of such bodies are expressed in terms of the displacement u, v, and w in the coordinates axes x, y and z, care being taken to modify the finite difference expressions to satisfy the appropriate boundary conditions. By adopting a new three dimensional finite difference modelling including elimination of pivotal difference points in the case of free boundary condition, the three dimensional problem of anisotropic body was successfully completed. Several numerical results show quick convergence and numerical validity of finite difference technique in three dimensional problem.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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