Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.33
no.12
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pp.1401-1409
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2009
All the forces in the real world act dynamically on structures. Design and analysis should be performed based on the dynamic loads for the safety of structures. Dynamic (transient or vibrational) responses have many peaks in the time domain. Topology optimization, which gives an excellent conceptual design, mainly has been performed with static loads. In topology optimization, the number of design variables is quite large and considering the peaks is fairly costly. Topology optimization in the frequency domain has been performed to consider the dynamic effects; however, it is not sufficient to fully include the dynamic characteristics. In this research, linear dynamic response topology optimization is performed in the time domain. First, the necessity of topology optimization to directly consider the dynamic loads is verified by identifying the relationship between the natural frequency of a structure and the excitation frequency. When the natural frequency of a structure is low, the dynamic characteristics (inertia effect) should be considered. The equivalent static loads (ESLs) method is proposed for linear dynamic response topology optimization. ESLs are made to generate the same response field as that from dynamic loads at each time step of dynamic response analysis. The method was originally developed for size and shape optimizations. The original method is expanded to topology optimization under dynamic loads. At each time step of dynamic analysis, ESLs are calculated and ESLs are used as the external loads in static response topology optimization. The results of topology optimization are used to update the design variables (density of finite elements) and the updated design variables are used in dynamic analysis in a cyclic manner until the convergence criteria are satisfied. The updating rules and convergence criteria in the ESLs method are newly proposed for linear dynamic response topology optimization. The proposed updating rules are the artificial material method and the element elimination method. The artificial material method updates the material property for dynamic analysis at the next cycle using the results of topology optimization. The element elimination method is proposed to remove the element which has low density when static topology optimization is finished. These proposed methods are applied to some examples. The results are discussed in comparison with conventional linear static response topology optimization.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.10
s.181
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pp.2568-2580
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2000
This paper presents a quasi-static optimization technique for elastic structures under dynamic loads. An equivalent static load (ESL) set is defined as a static load set which generates the same displacement field as that from a dynamic load at a certain time. Multiple ESL sets calculated at every time step are employed to represent the various states of the structure under the dynamic load. They can cover every critical state that might happen at an arbitrary time. Continuous characteristics of dynamic load are simulated by multiple discontinuous ones of static loads. The calculated sets of ESLs are applied as a multiple loading condition in the optimization process. A design cycle is defined as a circulated process between an analysis domain and a design domain. Design cycles are repeated until a design converges. The analysis domain gives a loading condition necessary for the design domain. The design domain gives a new updated design to be verified by the analysis domain in the next design cycle. This iterative process is quite similar to that of the multidisciplinary optimization technique. Even though the global convergence cannot be guaranteed, the proposed technique makes it possible to optimize the structures under dynamic loads. It has also applicability, flexibility, and reliability.
In the present study, a Cook Book method and a Static System Analysis method were compared with each other on the basis of a seismic design criteria of fire-fighting facilities and analyzed. The Cook Book method is analyzed by dividing a pipeline in each same section. In this method, a stress analysis is not possible except for the section analyzed in such a way that a brace is designed according to the weight of pipe, water and pipe fitting. To the contrary, in case of the Static System Analysis method, the stress analysis for the whole pipeline can be performed because the whole pipeline is regarded as a single structure. For the fatal stress values locally generated, it is necessary to actively perform a pipeline analysis by installing a device capable of locally relieving the stress of the pipeline. In Korea, only the Cook Book method is provided as the seismic design criteria of fire-fighting facilities, which causes many problems with diversification of seismic design. Thus, it is necessary to apply the seismic design method of the pipeline by using various kinds of engineered Static System Analysis methods.
Lei, Jun;Lozano-Galant, Jose Antonio;Xu, Dong;Zhang, Feng-Liang;Turmo, Jose
Smart Structures and Systems
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v.30
no.4
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pp.339-351
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2022
Evaluating the current condition of existing structures is of primary importance for economic and safety reasons. This can be addressed by Structural System Identification (SSI). A reliable static SSI depends on well-designed sensor configuration and loading cases, as well as efficient parameter estimation algorithms. Static SSI by the Measurement Error-Minimizing Observability Method (MEMOM) is a model-based deterministic static SSI method that could estimate structural parameters from static responses. In the current state of the art, this method is only applicable when structures are subjected to one loading case. This might lead to lack of information in some local regions of the structure (such as the null curvatures zones). To address this issue, the SSI by MEMOM using multiple loading cases is proposed in this work. Observability equations obtained from different loading cases are concatenated simultaneously and an optimization procedure is introduced to obtain the estimations by minimizing the discrepancy between the predicted response and the measured one. In addition, a Genetic-Algorithm (GA)-based Optimal Sensor Placement (OSP) method is proposed to tackle the OSP problem under multiple static loading cases for the very first time. In this approach, the Fisher Information Matrix (FIM)'s determinant is used as the metric of the goodness of sensor configurations. The numerical examples of a 3-span continuous bridge and a 13-story frame, are analyzed to validate the applicability of the extended SSI by MEMOM and the GA-based OSP method.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.06a
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pp.81-85
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2005
In this paper, the structural design optimization of a wafer grinding machine using a multi-step optimization with genetic algorithm is presented. The design problem, in this study, is to find out the optimum configuration and dimensions of structural members which minimize the static compliance, the dynamic compliance, and the weight of the machine structure simultaneously under several design constraints. The first design step is shape optimization, in which the best structural configuration is found by getting rid of structural members that have no contributions to the design objectives from the given initial design configuration. The second and third steps are sizing optimization. The second design step gives a set of good design solutions having higher fitness for lightweight and minimum static compliance. Finally the best solution, which has minimum dynamic compliance and weight, is extracted among those good solution set. The proposed design optimization method was successfully applied to the structural design optimization of a high precision wafer grinding machine. After optimization, both static and dynamic compliances are reduced more than $92\%\;and\;93\%$ compared with the initial design, which was designed empirically by experienced engineers. Moreover the weight of the optimized structure are also slightly reduced than before.
Park, Hong-Ik;Yoo, Ji-Sue;Lee, Jun-Young;Lee, Sang-Beom;Yim, Hong-Jae
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.2
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pp.211-216
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2012
This paper presents methods to reduce the deflection of the battery-supporting structure on on-line electric vehicles (OLEVs). First, by testing various battery locations, a location is found that increases the dynamic stiffness of the OLEV. Second, static analysis is conducted to analyze the maximum deflection caused by the battery weight. In order to reduce the amount of deflection, the contributions of the battery-supporting structures are analyzed, and reinforcements are inserted. Then, another static analysis is conducted to compare the results of the base model and modified model. Consequently, through the static analysis, both the base model and modified model are similarly improved in terms of deflection, but the modified model is better than the base model at reducing the mass.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.3
no.4
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pp.274-285
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2011
The supercavitating vehicle is an underwater vehicle that is surrounded almost completely by a supercavity to reduce hydrodynamic drag substantially. Since the cruise speed of the vehicle is much higher than that of conventional submarines, the drag force is huge and a buckling may occur. The buckling phenomenon is analyzed in this study through static and dynamic approaches. Critical buckling load and pressure as well as buckling mode shapes are calculated using static buckling analysis and a stability map is obtained from dynamic buckling analysis. When the finite element method (FEM) is used for the buckling analysis, the solver requires a linear static solver and an eigenvalue solver. In this study, these two solvers are integrated and a consolidated buckling analysis module is constructed. Furthermore, Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is combined in the buckling analysis module to perform a design optimization computation of a simplified supercavitating vehicle. The simplified configuration includes cylindrical shell structure with three stiffeners. The target for the design optimization process is to minimize total weight while maintaining the given structure buckling-free.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.1
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pp.9-18
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2003
In static analysis of a variety of structures, the matrix method of structural analysis is the most widely used and powerful analysis method. However, this method has drawback requiring high-performance computers with many memory units and fast processing units in the case of analyzing accurately structures with a large number of degrees-of- freedom. Therefore, it's very difficult to analyze these structures accurately in personal computers. For overcoming the drawback of the matrix method of structural analysis, authors suggest the transfer stiffness coefficient method(TSCM). The TSCM is very suitable to a personal computer because the concept of the TSCM is based on the transfer of the stiffness coefficient for an analytical structure. In this paper, the static analysis algorithm for frame structures is formulated by the TSCM. We confirm the validity of the TSCM through the comparison of computation results by the TSCM, the NASTRAN, the matrix method of structural analysis and the analytical solution.
The seismic responses of a building are affected by the base soil conditions. In this study, linear time-history seismic analysis and nonlinear pushover static seismic analysis were performed to estimate the base shear forces of 3-, 5-, and 7-story steel buildings, considering the rigid and soft soil conditions. Foundation soil stiffness, based on the equivalent static stiffness formula, is used for the damper, one of the Link elements in SAP 2000. The base shear forces of the steel buildings, estimated through time-history analysis using the general-purpose structural-analysis program of SAP 2000, were compared with those calculated using the domestic seismic design code, the UBC-97 design response spectrum. and pushover static nonlinear analysis. The steel buildings designed for gravity and wind loads showed elastic responses with a moderate earthquake of 0.11 g, while the elastic soft-soil layer increased the displacement and the base shear force of the buildings due to soil-structure interaction and soil amplification. Therefore, considering the characteristics of the soft-soil layer, it is more reasonable to perform an elastic seismic analysis of a building's structure during weak or moderate earthquakes.
Amr E. Assie;Salwa A. Mohamed;Alaa A. Abdelrahman;Mohamed A. Eltaher
Steel and Composite Structures
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v.48
no.2
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pp.113-130
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2023
The present manuscript aims to investigate the deviation between the middle surface (MS) and neutral surface (NS) formulations on the static response of bi-directionally functionally graded (BDFG) porous plate. The higher order shear deformation plate theory with a four variable is exploited to define the displacement field of BDFG plate. The displacement field variables based on both NS and on MS are presented in detail. These relations tend to get and derive a new set of boundary conditions (BCs). The porosity distribution is portrayed by cosine function including three different configurations, center, bottom, and top distributions. The elastic foundation including shear and normal stiffnesses by Winkler-Pasternak model is included. The equilibrium equations based on MS and NS are derived by using Hamilton's principles and expressed by variable coefficient partial differential equations. The numerical differential quadrature method (DQM) is adopted to solve the derived partial differential equations with variable coefficient. Rigidities coefficients and stress resultants for both MS and NS formulations are derived. The mathematical formulation is proved with previous published work. Additional numerical and parametric results are developed to present the influences of modified boundary conditions, NS and MS formulations, gradation parameters, elastic foundations coefficients, porosity type and porosity coefficient on the static response of BDFG porous plate. The following model can be used in design and analysis of BDFG structure used in aerospace, vehicle, dental, bio-structure, civil and nuclear structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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