Being a significant mode of deformation, shear effect in addition to the other modes of stretching and bending have been considered to develop two finite element models for the analysis of beams on elastic foundation. The first beam model is developed utilizing the differential-equation approach; in which the complex variables obtained from the solution of the differential equations are used as interpolation functions for the displacement field in this beam element. A single element is sufficient to exactly represent a continuous part of a beam on Winkler foundation for cases involving end-loadings, thus providing a benchmark solution to validate the other model developed. The second beam model is developed utilizing the hybrid-mixed formulation, i.e., Hellinger-Reissner variational principle; in which both displacement and stress fields for the beam as well as the foundation are approxmated separately in order to eliminate the well-known phenomenon of shear locking, as well as the newly-identified problem of "foundation-locking" that can arise in cases involving foundations with extreme rigidities. This latter model is versatile and indented for utilization in general applications; i.e., for thin-thick beams, general loadings, and a wide variation of the underlying foundation rigidity with respect to beam stiffness. A set of numerical examples are given to demonstrate and assess the performance of the developed beam models in practical applications involving shear deformation effect.
Hyeonah Shin;Seungin Oh;Yongbeom Cho;Jinyoung Kil;Byunyoung Chung;Jinwon Shin;Jin-Gyun Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.9
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pp.3491-3500
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2024
In this work, the hybrid vibro-acoustic model reduction technique that is a physical-modal combined formulation is proposed to accelerate the finite element model updating process of the vibro-acoustic pipeline system. Particularly, the new formulation could provide an effective way of the model updating by preserving the physical DOFs for the direct calibration of the undetermined boundary conditions. The sensitivity based vibro-acoustic model updating is first conducted, and then the undetermined spring constant at the displacement boundary condition is then directly and effectively calibrated by using the proposed hybrid model reduction formulation. The proposed method is implemented in the real nuclear facility to evaluate its performance. In addition, an experimental implementation test using the inverse force identification process is also conducted to demonstrate the reliability of the generated vibro-acoustic FE model through the proposed method.
The main goal of this study is to investigate the free vibration analysis of a large sag catenary with application to the jumper in hybrid riser system. The equation of motion is derived by using the variational method based on the virtual work principle. The finite element method is applied to evaluate the numerical solutions. The large sag catenary is utilized as an initial configuration for vibration analysis. The nonlinearity due to the large sag curvature of static configuration is taken into account in the element stiffness matrix. The natural frequencies of large sag catenary and their corresponding mode shapes are determined by solving the eigenvalue problem. The numerical examples of a large sag catenary jumpers are presented. The influences of bending rigidity and large sag shape on the free vibration behaviors of the catenary jumper are provided. The results indicate that the increase in sag reduces the jumper natural frequencies. The corresponding mode shapes of the jumper with large sag catenary shape are comprised of normal and tangential displacements. The large sag curvature including in the element stiffness matrix increases the natural frequency especially for a case of very large sag shape. Mostly, the mode shapes of jumper are dominated by the normal displacement, however, the tangential displacement significantly occurs around the lowest point of sag. The increase in degree of inclination of the catenary tends to increase the natural frequencies.
Vivar-Perez, Juan M.;Duczek, Sascha;Gabbert, Ulrich
Smart Structures and Systems
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v.13
no.4
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pp.587-614
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2014
In recent years the interest in online monitoring of lightweight structures with ultrasonic guided waves is steadily growing. Especially the aircraft industry is a driving force in the development of structural health monitoring (SHM) systems. In order to optimally design SHM systems powerful and efficient numerical simulation tools to predict the behaviour of ultrasonic elastic waves in thin-walled structures are required. It has been shown that in real industrial applications, such as airplane wings or fuselages, conventional linear and quadratic pure displacement finite elements commonly used to model ultrasonic elastic waves quickly reach their limits. The required mesh density, to obtain good quality solutions, results in enormous computational costs when solving the wave propagation problem in the time domain. To resolve this problem different possibilities are available. Analytical methods and higher order finite element method approaches (HO-FEM), like p-FEM, spectral elements, spectral analysis and isogeometric analysis, are among them. Although analytical approaches offer fast and accurate results, they are limited to rather simple geometries. On the other hand, the application of higher order finite element schemes is a computationally demanding task. The drawbacks of both methods can be circumvented if regions of complex geometry are modelled using a HO-FEM approach while the response of the remaining structure is computed utilizing an analytical approach. The objective of the paper is to present an efficient method to couple different HO-FEM schemes with an analytical description of an undisturbed region. Using this hybrid formulation the numerical effort can be drastically reduced. The functionality of the proposed scheme is demonstrated by studying the propagation of ultrasonic guided waves in plates, excited by a piezoelectric patch actuator. The actuator is modelled utilizing higher order coupled field finite elements, whereas the homogenous, isotropic plate is described analytically. The results of this "semi-analytical" approach highlight the opportunities to reduce the numerical effort if closed-form solutions are partially available.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.24
no.4
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pp.19-36
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1987
In this research the coupling problem between the elastic structure and the fluid, specially the hydroelastic harmonic vibration problem, is studied. In order to couple the domains, i.e., the structural domain and the fluid domain, the boundary integral method(direct boundary integral formulation) is used in the fluid domain in combination with the finite element method for the structure. The boundary integral method has been widely developed to apply it to the hydroelastic vibration problem. The hybrid boundary integral method using eigenfunctions on the radiation boundaries and the boundary integral method using the series form image-functions to replace the even bottom and free surface boundaries in case of high frequencies have been developed and tested. According to the boundary conditions and the frequency ranges the different boundary integral methods with the different idealizations of the fluid boundaries have been studied. Using the same interpolation functions for the pressure distribution and the displacement the two domains have been coupled and using Hamilton principle the solution of the hydroelastic have been obtained through the direct minimizing process. It has become evident that the finite-boundary element method combining with the eigenfunction or the image-function method give good results in comparison with the experimental ones and the other numerical results by the finite element method.
Akbar Nikzad;Alireza Kiani;Seyed Alireza Kazerounian
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.5
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pp.463-480
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2023
The buckling-restrained braced frames with eccentric configurations (BRBF-Es) exhibit stable cyclic behavior and possess a high energy absorption capacity. Additionally, they offer architectural advantages for incorporating openings, much like Eccentrically Braced Frames (EBFs). However, studies have indicated that significant residual drifts occur in this system when subjected to earthquakes at the Maximum Considered Earthquake (MCE) hazard level. Consequently, in order to mitigate these residual drifts, it is recommended to employ self-centering systems alongside the BRBF-E system. In our current research, we propose the utilization of the Direct Displacement-Based Seismic Design method to determine the design base shear for a hybrid system that combines BRBF with an eccentric configuration and a self-centering frame. Furthermore, we present a methodology for designing the individual components of this composite system. To assess the effectiveness of this design approach, we designed 3-, 6-, and 9-story buildings equipped with the BRBF-E-SCF system and developed finite element models. These models were subjected to two sets of ground motions representing the Maximum Considered Earthquake (MCE) and Design Basis Earthquake (DBE) seismic hazard levels. The results of our study reveal that although the combined system requires a higher amount of steel material compared to the BRBF-E system, it substantially reduces residual drift. Furthermore, the combined system demonstrates satisfactory performance in terms of story drift and ductility demand.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.5
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pp.11-24
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2011
A real-time hybrid test of a 3 story-3 bay reinforced concrete frame which is divided into numerical and physical substructure models under uniaxial earthquake excitation was run using a fixed iteration implicit HHT time integration method. The first story inner non-ductile column was selected as the physical substructure model, and uniaxial earthquake excitation was applied to the numerical model until the specimen failed due to severe damage. A finite-element analysis program, Mercury, was newly developed and optimized for a real-time hybrid test. The drift ratio based on the top horizontal displacement of the physical substructure model was compared with the result of a numerical simulation by OpenSees and the result of a shaking table test. The experiment in this paper is one of the most complex real-time hybrid tests, and the description of the hardware, algorithm and models is presented in detail. If there is an improvement in the numerical model, the evaluation of the tangent stiffness matrix of the physical substructure model in the finite element analysis program and better software to reduce the computational time of the element state determination for the force-based beam-column element, then the comparison with the results of the real-time hybrid test and the shaking table test deserves to make a recommendation. In addition, for the goal of a "Numerical simulation of the complex structures under dynamic loading", the real time hybrid test has enough merit as an alternative to dynamic experiments of large and complex structures.
This article derived a hybrid coupling technique using the higher-order displacement polynomial and three soft computing techniques (teaching learning-based optimization, particle swarm optimization, and artificial bee colony) to predict the optimal stacking sequence of the layered structure and the corresponding frequency values. The higher-order displacement kinematics is adopted for the mathematical model derivation considering the necessary stress and stain continuity and the elimination of shear correction factor. A nine noded isoparametric Lagrangian element (eighty-one degrees of freedom at each node) is engaged for the discretisation and the desired model equation derived via the classical Hamilton's principle. Subsequently, three soft computing techniques are employed to predict the maximum natural frequency values corresponding to their optimum layer sequences via a suitable home-made computer code. The finite element convergence rate including the optimal solution stability is established through the iterative solutions. Further, the predicted optimal stacking sequence including the accuracy of the frequency values are verified with adequate comparison studies. Lastly, the derived hybrid models are explored further to by solving different numerical examples for the combined structural parameters (length to width ratio, length to thickness ratio and orthotropicity on frequency and layer-sequence) and the implicit behavior discuss in details.
Objective: The objective of this study was to evaluate the displacement pattern and the stress distribution of the finite element model 3-D visualization during symphyseal widening according to the osteotomy position, osteotomy type, and distraction device. Methods: The kinds of distraction devices used were tooth-borne type, hybrid type, bone-borne type and tooth-borne type $30^{\circ}$ angulated, and the kinds of osteotomy design were vertical osteotomy line between the central incisors and step osteotomy line through the symphysis. Results: All reference points of the mandible including the condyles were displaced laterally irrespective of the osteotomy position, osteotomy method and distraction device. The anteroposterior or vertical displacements showed small differences between the groups. The widening pattern of the osteotomy line in the tooth-borne type of device was v shaped, and that of bone-borne type was a reverse v shape. However, the pattern in the hybrid type was parallel. The lateral displacement of the mandibular angle by the bone-borne device was more remarkable than the other types of devices. The displacement by the $30^{\circ}$ angulated tooth-borne type was different between the left and right sides in both the transverse and anteroposterior aspects. Conclusion: The design of the distraction devices and osteotomy line can influence the displacement pattern and the stress distribution during mandibular symphyseal distraction osteogenesis procedures.
Hybrid type LPM can be widely applied in the precise position controlled devic because precise linear motion can be directly obtained by the simple control circuit without backlash in the rotary-type stepping motor. Also, LPM can increase the Position resolution, which was limited by mechanical manufacturing limit and characteristic of magnetic material. using micro-step drive method to decrease the noise and vibration further. Especially, Double-side LPM may be replaced the solenoid as the valve driving device without difficulty and give full play to control the valve accurately. Hence, In this paper, magnetic circuit of double-side LPM was confirmed and static thrust force curve according to the relative displacement between stator and mover, was analyzed by the two dimensional finite element method. From this results, we can suppose the excitation current to be controlled optimally.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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