Marine structures including offshore wind turbines (OWTs) always work under cyclic loads, which arouses much attention on the fatigue design. The tripod substructure is one of the typical foundation forms for fixed OWTs. The three-planar tubular Y-joint (3Y joint) is one of the important components in fatigue design as it is most likely to have cracks. With the existence of the multiplanar interaction effect, calculating the hot spot stress (HSS) of 3Y joints is complicated. To assist with fatigue design, the distributions of stress concentration factor (SCF) and multiplanar interaction factor (MIF) along weld toe curves induced by the out-of-plane bending moment are explored in this study. An FE analysis method was first developed and verified against experimental results. This method was applied to build a numerical database including 1920 FE models covering common ranges of geometric parameters. A parametric study has been carried out to reveal the distribution patterns of SCF and MIF. After multidimensional nonlinear fittings, SCF and MIF distribution formulas have been proposed. Accuracy and reliability checking prove that the proposed formulas are suitable for calculating the HSS of 3Y joints.
Yang Wang;Mingxing Zhu;Guoliang Dai;Jiang Xu;Jinbiao Wu
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.2
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pp.167-178
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2024
The natural frequency shift under cyclic environmental loads is a key issue in the design of monopile-based offshore wind power turbines because of their dynamic sensitivity. Existing evidence reveals that the natural frequency shift of the turbine system in sand is related to the varying foundation stiffness, which is caused by soil deformation around the monopile under cyclic loads. Therefore, it is an urgent need to investigate the effect of soil deformation on the system frequency. In the present paper, three generalized geometric models that can describe soil deformation under two-way cyclic loads are proposed. On this basis, the cycling-induced changes in soil parameters around the monopile are quantified. A theoretical approach considering three-spring foundation stiffness is employed to calculate the natural frequency during cycling. Further, a parametric study is conducted to describe and evaluate the frequency shift characteristics of the system under different conditions of sand relative density, pile slenderness ratio and pile-soil relative stiffness. The results indicate that the frequency shift trends are mainly affected by the pile-soil relative stiffness. Following the relevant conclusions, a design optimization is proposed to avoid resonance of the monopile-based wind turbines during their service life.
Investigating ship motion under real conditions is vital for evaluating the seakeeping performance, particularly in the design process stage. This study examined the influence of the principal particulars of a trawler on its seakeeping performance. The wave conditions in the Bering Sea are investigated using available data. The length-to-beam (L/B) and beam-to-draft (B/T) ratios of the ship are changed by 10% for the numerical simulation. The response amplitude operator (RAO) motion, root mean square (RMS) value and sensitivity analysis are calculated to evaluate the influence of the trawler dimensions on ship motions. The peak RAO motion affected the ship motions noticeably because of the resonance at the natural frequency. The L/B and B/T ratios are important geometric parameters of a ship that significantly influence its RMS motion, particularly in the case of roll and pitch. The change in the B/T ratio has a good seakeeping performance based on a comparison of the roll and pitch with the seakeeping criteria. The present results provide insights into the seakeeping performance of ships due to the influence of the principal dimensions in the design stage.
Strengthening of hollow structural sections using through-bolts is a cost-effective and straightforward approach. It's a versatile method that can be applied during both design and service phases, serving as a non-disruptive and budget-friendly retrofitting solution. Existing research on axially loaded hollow sections T-joints has demonstrated that this technique can amplify the joint strength by 50%, where single bolt could enhance the strength of the joint by 35%. However, there's a gap in understanding their use for K-joints. As the behavior of K-joints is more complex, and they are widely existent in structures, this study aims to bridge that gap by conducting comprehensive parametric study using finite element analysis. Numerical investigation was conducted to evaluate the effect of through bolts on K-joints focusing on using single through bolt to achieve most of the strengthening effect. A full-scale parametric model was developed to investigate the effect of various geometric parameters of the joint. This study concluded the existence of optimal bolt location to achieve the highest strength gain for the joint. Moreover, a rigorous statistical analysis was conducted on the data to propose design equations to predict optimal bolt location and the corresponding strength gain implementing the verified by finite element models.
Using negative Poisson's ratio materials, an innovative metallic-yielding damper is introduced for the first time in this study. Through the use of ABAQUS commercial software, a nonlinear finite element analysis is conducted to determine the performance of the proposed system. Mild steel plates with elliptical holes are used for these types of dampers, which dissipate energy through an inelastic deformation of the constitutive material. To assess the capability of the proposed damper, nonlinear quasi-static finite element analyses have been conducted on the damper with a variety of geometric parameters. According to the results, the proposed system is ductile and has a high capacity to dissipate energy. The proposed auxetic damper has a specific energy absorption of 910.8 J/kg and a ductility of 33.6. Therefore, this damper can dissipate a large amount of earthquake input energy without buckling by increasing the buckling load of the brace with its ductile behavior. In addition, it was found that by incorporating auxetic dampers in the steel frame, the frame was made harder, stronger, and ductile and its energy absorption increased by 300%.
Murat Yaylaci;Ecren Uzun Yaylaci;Muhittin Turan;Mehmet Emin Ozdemir;Sevval Ozturk;Sevil Ay
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.77-87
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2024
In this study, the two-dimensional crack problem was investigated by using the finite element method (FEM)-based ANSYS package program and the artificial neural network (ANN)-based multilayer perceptron (MLP) method. For this purpose, a half-infinite functionally graded (FG) layer with a crack pressed through two rigid blocks was analyzed using FEM and ANN. Mass forces and friction were neglected in the solution. To control the validity of the crack problem model exercised, the acquired results were compared with a study in the literature. In addition, FEM and ANN results were checked using Root Mean Square Error (RMSE) and coefficient of determination (R2), and a well agreement was found. Numerical solutions were made considering different geometric parameters and material properties. The stress intensity factor (SIF) was examined for these values, and the results were presented. Consequently, it is concluded that the considered non-dimensional quantities have a noteworthy influence on the SIF. Also FEM and ANN can be logical alternative methods to time-consuming analytical solutions if used correctly.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.61
no.2
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pp.68-76
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2024
The rotor sail is one of the representative devices in eco-friendly wind-assisted propulsion systems that have been practically applied to commercial ships. The present study proposes an asymmetric vertical folding rotor sail (AFRS) designed for small ships, featuring asymmetric geometry along the vertical direction and the function of vertical folding. To evaluate the aerodynamic performance of rotor sail, the drag, lift and lift-to-drag ratio were derived using computational fluid dynamics. The aerodynamic performance of AFRS was compared with that of normal rotor sail with different aspect ratios and spin ratios. The effect of geometric parameters on the aerodynamic performance of AFRS was assessed by varying the asymmetric diameter ratio. The maximum improvement in lift-to-drag ratio for AFRS was approximately 12% in the considered case. Additionally, the resistance is decreased when AFRS is vertically folded without rotating. Throughout the present study, improved aerodynamic and resistance performances for AFRS were confirmed, which will successfully provide additional propulsion to small ships.
In this paper, a closed-form rigorous solution for interfacial stress in continuous steel beam with variable section strengthened with bonded prestressed FRP plates and subjected to a uniformly distributed load is developed using linear elastic theory and including the variation of fiber volume fractions with a longitudinal orientation of the fibers of the FRP plates. The results show that there exists a high concentration of both shear and normal stress at the ends of the laminate, which might result in premature failure of the strengthening scheme at these locations. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. Overall, the predictions of the different solutions agree closely with each other. A parametric study has been conducted to investigate the sensitivity of interface behavior to parameters such as laminate and adhesive stiffness, the thickness of the laminate and the fiber volume fractions where all were found to have a marked effect on the magnitude of maximum shear and normal stress in the composite member. This research gives a numerical precision in relating to the others studies which neglect the effect of prestressed plate and the shear lag impact. The physical and geometric properties of materials are taken into account, and that may play an important role in reducing the interfacial stresses magnitude.
Steam line break accident (SLB) in the nuclear reactor is one of the representative Non-LOCA accidents in which thermal-hydraulics and neutron kinetics are strongly coupled each other. Thus, the multi-scale and multi-physics approach is applied in this study in order to examine a realistic safety margin. An entire reactor coolant system is modelled by system scale node, whereas sub-channel scale resolution is applied for the region of interest such as the reactor core. Fuel performance code is extended to consider full core pin-wise fuel behaviour. The MARU platform is developed for easy integration of the codes to be coupled. An initial stage of the steam line break accident is simulated on the MARU platform. As cold coolant is injected from the cold leg into the reactor pressure vessel, the power increases due to the moderator feedback. Three-dimensional coolant and fuel behaviour are qualitatively visualized for easy comprehension. Moreover, quantitative investigation is added by focusing on the enhancement of safety margin by means of comparing the minimum departure from nucleate boiling ratio (MDNBR). Three factors contributing to the increase of the MDNBR are proposed: Various geometric parameters, realistic power distribution by neutron kinetics code, Radial coolant mixing including sub-channel physics model.
The purpose of this study establishes the deep neural network (DNN) and Decoder models to predict the flow and thermal fields of three-dimensional wavy wings as a passive flow control. The wide ranges of the wavy geometric parameters of wave amplitude and wave number are considered for the various the angles of attack and the aspect ratios of a wing. The huge dataset for training and test of the deep learning models are generated using computational fluid dynamics (CFD). The DNN and Decoder models exhibit quantitatively accurate predictions for aerodynamic coefficients and Nusselt numbers, also qualitative pressure, limiting streamlines, and Nusselt number distributions on the surface. Particularly, Decoder model regenerates the important flow features of tiny vortices in the valleys, which makes a delay of the stall. Also, the spiral vortical formation is realized by the Decoder model, which enhances the lift.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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