In this paper the unsteady fluid-structure interaction (FSI) problems with large structural displacement are solved by partitioned solution approaches in the arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element framework. The incompressible Navier-Stokes equations are solved by the characteristic-based split (CBS) scheme. Both a rigid body and a geometrically nonlinear solid are considered as the structural models. The latter is solved by Newton-Raphson procedure. The equation governing the structural motion is advanced by Newmark-${\beta}$ method in time. The dynamic mesh is updated by using moving submesh approach that cooperates with the ortho-semi-torsional spring analogy method. A mass source term (MST) is introduced into the CBS scheme to satisfy geometric conservation law. Three partitioned coupling strategies are developed to take FSI into account, involving the explicit, implicit and semi-implicit schemes. The semi-implicit scheme is a mixture of the explicit and implicit coupling schemes due to the fluid projection splitting. In this scheme MST is renewed for interfacial elements. Fixed-point algorithm with Aitken's ${\Delta}^2$ method is carried out to couple different solvers within the implicit and semi-implicit schemes. Flow-induced vibrations of a bridge deck and a flexible cantilever behind an obstacle are analyzed to test the performance of the proposed methods. The overall numerical results agree well with the existing data, demonstrating the validity and applicability of the present approaches.
In this study, the finite element analysis using joint elements, bolt elements, and shell elements is presented to investigate the behavior of bolted connections. The contact of plates and the high-strength, pretensioned bolts are simply idealized by joint elements and bolt elements, respectively. The initial stiffness is determined through the presented method and the non-linear analysis is archived by a constant-arc-length method based on Newton-Raphson method. The analysis results of a semi-rigid connection(web & flange angles) and a moment connection (shear & moment plates) demonstrate the exactness and applicability of the presented method. And the results indicates that the consideration of slip and 3-dimensional deformation is needed for an accurate prediction of bolted connections.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.10
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pp.2543-2554
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1993
In this paper, the kinematic and dynamic analyses of spatial complex kinematic chain are studied. Through the new method both using the set of identification numbers and applying the DenavitHartenberg link representation method to the spatial complex kinematic chain, the kinematic configuration of the chain is represented. Some link in the part of closed chain being fictitiously cutted, the complex kinematic chain is transformed to the branched chain. The kinematic constraint equations are derived from the constraint conditions which the cutted sections of the link have to satisfy. And the joint variables being partitioned in the independent joint variables and the dependent joint variables, the dependent variables are calculated from the independent variables by using the Newton-Raphson iterative method and the pseudoinverse matrix. The equations of motion are derived under the independent joint variables by using the principle of virtual work. Algorithms for dynamic analysis are presented and simulations are done to verify accuracy and efficiency of the algorithms.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.4
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pp.1290-1300
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1996
The finite element method, based on rigid-plastic formulation, is widely used to simulate metal forming processes. In order to improve the computational efficiency of the rigid-plastic FEM, one-point integration is used to evaluate the stiffness matrix with four-node rectangular elements and eight-node brick elements. In order to control the hourglass modes, hourglass strain rate components were introduced and included in the effective strain rate definition, Numerical tests have shown that the proposed one-point integration scheme reduces the stiffness matrix evaluation time without deteriorating the convergence behavior of Newton-Raphson method. Simulations of a ring compression, a plane-strain closed-die forging and the three-dimensional spike forging processes were carried out by using the proposed integration method. The simulation results are compared to those obtained by applying the conventional integraiton method in terms of the solution accuracy and computational efficiency.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.3B
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pp.175-183
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2012
In this study, Galerkin scheme and SU/PG scheme of Petrov-Galerkin family were applied to the shallow water equations and a finite element model for shallow water flow was developed. Numerical simulations were conducted in several flumes with convection-dominated flow condition. Flow simulation of channel with slender structure in the water course revealed that Galerkin and SU/PG schemes showed similar results under very low Fr number and Re number condition. However, when the Fr number increased up to 1.58, Galerkin scheme did not converge while SU/PG scheme produced stable solutions after 5 iterations by Newton-Raphson method. For the transcritical flow simulation in diverging channel, the present model predicted the hydraulic jump accurately in terms of the jump location, the depth slope, and the flow depth after jump, and the numerical results showed good agreements with the hydraulic experiments carried out by Khalifa(1980). In the oblique hydraulic jump simulation, in which convection-dominated supercritical flow (Fr=2.74) evolves, Galerkin scheme blew up just after the first iteration of the initial time step. However, SU/PG scheme captured the boundary of oblique hydraulic jump accurately without numerical oscillation. The maximum errors quantified with exact solutions were less than 0.2% in water depth and velocity calculations, and thereby SU/PG scheme predicted the oblique hydraulic jump phenomena more accurately compared with the previous studies (Levin et al., 2006; Ricchiuto et al., 2007).
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.4
no.1
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pp.27-48
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1984
This study is conserned with the optimization of reinforced concrete frames using limit state design theory. Formulations of the optimal design for reinforced concrete frame based on the limit state theory turn out to be the nonlinear programming problems which have to deal with the required steel area, the width and effective height of the beam and column section and the moment reduction factor as the design variables. The objective function is formulated as the total construction cost which considers the costs of steel, concrete and forming for the reinforced concrete frames, and the basic constraints are imposed upon both ultimate and serviciability limit state concepts. Also, the stress blocks assumpted in CP110 and Hognestad et al. theory are applied to analysis an ultimate resistant section force for the ultimate limit state and only the criteria of CP110 are used for serviciability limit state. The optimized technique which is applied to solve the nonlinear programming problems for the optimization of reinforced concrete frames is SUMT utilizing the modified Newton-Raphson method. This algorithm is used to test for the two reinforced concrete frames, and then is compared and analysized with the numerical results of reference(10) to examine its convergence, applicability and stability under the same conditions. The results of this study are discussed about the economy comparision of the optimal values for CP110 and Hognestad et al., and the applicability, stability, convergence and validity of this algorithm used herein through the numerical analyses.
The present study was carried out to examine flow properties in linear drainage channels such as road surface drainage facilities. The finite difference formulation for the varied flow analysis was solved for flow profiles in the channels. Starting the first step at the control section, the Newton-Raphson method was applied for producing numerical solutions of the equation. We considered two types of linear drainage channels, a channel with one outlet at downstream end and a channel with two outlets at both ends. Moreover, the flow analysis for various channel slopes was performed. However, we considered channels with the two outlets of slopes satisfying the condition that the both ends are the control section. The maximum of those slopes was decided from the relation between the channel slope and the location of control section. The flow of a channel with one outlet was calculated upward and downward from the control section existing in channel or upward from the control section at downstream end. The flow of a channel with two outlets at both ends were calculated for upstream and downstream channel segments divided by the water dividend, respectively and the flow analysis was completed when the water depth at the water dividend calculated from upstream end was equal to that calculated from downstream end. If the slope was larger than the critical slope, the channel with two outlets was likely to behave like the channel with one outlet. The maximum water depth was investigated and compared with that calculated additionally from the uniform flow analysis. The uniform flow analysis was likely to lead a excessive design of a drainage channel with mild slope.
Nguyen, Dinh Hung;Nguyen, Minh Y.;Nguyen, Van Thang;Kim, Tae-Won;Kim, Kern-Joong;Yoon, Yong-Tae
Proceedings of the KIEE Conference
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2011.07a
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pp.168-169
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2011
The aim of this paper is to present a new algorithm for the load flow problem using modified Newton-Raphson (NR) iteration method and a approach to derive a simple formula to compensate the reactive power at some heavy load bus. The reactive power source used in this research is the DG which is adjacent to the heavy load. Phenomena of low voltages may cause the load flow calculation process to diverge. In modified NR method, low voltages will be detected and corrected before the next iteration. Therefore, the results of load flow calculation process satisfy the voltage constraint i.e. higher than the lower voltage limit or higher than the critical voltage in case the conventional load flow diverges. Linearizing the power network using PTDFs is a simple method with accepted errors. A new value of voltage at the DG terminal is computed in terms of the voltage deviation of load buses. In this approach, solving the entire system is unnecessary.
Applications of membrane mechanisms are widely found in nano-devices and nano-sensor technologies nowadays. An alternative approach for large deflection analysis of the orthotropic, elliptic membranes - subject to gravitational, uniform pressures often found in nano-sensors - is described in this paper. The material properties of membranes are assumed to be orthogonally isotropic and linearly elastic, while the principal directions of elasticity are parallel to the coordinate axes. Formulating the potential energy functional of the orthotropic, elliptic membranes involves the strain energy that is attributed to inplane stress resultant and the potential energy due to applied pressures. In the solution method, Rayleigh-Ritz method can be used successfully to minimize the resulting total potential energy generated. The set of equilibrium equations was solved subsequently by Newton-Raphson. The unparalleled model formulation capable of analyzing the large deflections of both circular and elliptic membranes is verified by making numerical comparisons with existing results of circular membranes as well as finite element solutions. The results are found in excellent agreements at all cases. Then, the parametric investigations are given to delineate the impacts of the aspect ratios and orthotropic elasticity on large static tensions and deformations of the orthotropic, elliptic membranes.
In the variable-speed wind energy system, to achieve maximum power point tracking (MPPT), the wind turbine should run close to its optimal angular speed according to the wind speed. Non-linear control methods that consider the dynamic behavior of wind speed are generally used to provide maximum power and improved efficiency. In this perspective, the mechanical power is estimated using Kalman filter. And then, from the estimated mechanical power, the wind speed is estimated with Newton-Raphson method to achieve maximum power without anemometer. However, the blade shape and air density get changed with time and the generator efficiency is also degraded. This results in incorrect estimation of wind speed and MPPT. It causes not only the power loss but also incorrect wind resource assessment of site. In this paper, the adaptive maximum power point tracking control algorithm for wind turbine system based on the estimation of wind speed is proposed. The proposed method applies correction factor to wind turbine system to have accurate wind speed estimation for exact MPPT. The proposed method is validated with numerical simulations and the results show an improved performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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