This paper presents a novel implicit level set method for topology optimization of functionally graded (FG) structures with pre-existing discontinuities (pre-cracks) using radial basis functions (RBF). The mathematical formulation of the optimization problem is developed by incorporating RBF-based nodal densities as design variables and minimizing compliance as the objective function. To accurately capture crack-tip behavior, crack-tip enrichment functions are introduced, and an eXtended Finite Element Method (X-FEM) is employed for analyzing the mechanical response of FG structures with strong discontinuities. The enforcement of boundary conditions is achieved using the Hamilton-Jacobi method. The study provides detailed mathematical expressions for topology optimization of systems with defects using FG materials. Numerical examples are presented to demonstrate the efficiency and reliability of the proposed methodology.
Gamino, Andre Luis;Manzoli, Osvaldo Luis;de Oliveira e Sousa, Jose Luiz Antunes;Bittencourt, Tulio Nogueira
Computers and Concrete
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제7권6호
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pp.483-496
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2010
This work deals with the determination of crack openings in 2D reinforced concrete structures using the Finite Element Method with a smeared rotating crack model or an embedded crack model. In the smeared crack model, the strong discontinuity associated with the crack is spread throughout the finite element. As is well known, the continuity of the displacement field assumed for these models is incompatible with the actual discontinuity. However, this type of model has been used extensively due to the relative computational simplicity it provides by treating cracks in a continuum framework, as well as the reportedly good predictions of reinforced concrete members' structural behavior. On the other hand, by enriching the displacement field within each finite element crossed by the crack path, the embedded crack model is able to describe the effects of actual discontinuities (cracks). This paper presents a comparative study of the abilities of these 2D models in predicting the mechanical behavior of reinforced concrete structures. Structural responses are compared with experimental results from the literature, including crack patterns, crack openings and rebar stresses predicted by both models.
Dougka, Georgia;Dimakogianni, Danai;Vayas, Ioannis
Earthquakes and Structures
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제6권5호
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pp.561-580
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2014
After strong earthquakes conventional frames used worldwide in multi - story steel buildings (e.g. moment resisting frames) are not well positioned according to reparability. Two innovative systems for seismic resistant steel frames incorporated with dissipative fuses were developed within the European Research Program "FUSEIS" (Vayas et al. 2013). The first, FUSEIS1, resembles a vertical Vierendeel beam and is composed of two closely spaced strong columns rigidly connected to multiple beams. In the second system, FUSEIS2, a discontinuity is introduced in the composite beams of a moment resisting frame and the dissipative devices are steel plates connecting the two parts. The FUSEIS system is able to dissipate energy by means of inelastic deformations in the fuses and combines ductility and architectural transparency with stiffness. In case of strong earthquakes damage concentrates only in the fuses which behave as self-centering systems able to return the structure to its initial undeformed shape. Repair work after such an event is limited only to replacing the fuses. Experimental and numerical investigations were performed to study the response of the fuses system. Code relevant design rules for the seismic design of frames with dissipative FUSEIS and practical recommendations on the selection of the appropriate fuses as a function of the most important parameters and member verifications have been formulated and are included in a Design Guide. This article presents the design and performance of building frames with FUSEIS 1-1 based on models calibrated on the experimental results.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제11권3호
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pp.162-168
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2011
In this paper, we propose a new Verilog-A current-voltage model for multi-level-cell PCRAMs. This model can describe the PCRAM operation not only in full SET and RESET states but also in the partial resistance states. And, 3 PCRAM operating regions of SET-RESET, Negative Differential Resistance, and strong-ON are unified into one equation in this model thereby any discontinuity that may introduce a convergence problem cannot be found in the new PCRAM model. The percentage error between the measured data and this model is as small as 7.4% on average compared to 60.1% of the previous piecewise model. The parameter extraction which is embedded in the Verilog-A code can be done automatically.
This paper presents a modeling technique of cracks by combined extended and superposed finite element method (XSFEM) which is a combination of the extended finite element method (XFEM) and the mesh superposition method (sversion FEM). In the proposed method, the near-tip field is modeled by a superimposed patch consisting of quarter point elements and the rest of the discontinuity is treated by the XFEM. The actual crack opening in this method is measured by the sum of the crack openings of XFEM and SFEM in transition region. This method retains the strong point of the XFEM so it can avoid remeshing in crack evolution and trace the crack growth by translation or rotation of the overlaid mesh and the update of the nodes to be enriched by step functions. Moreover, the quadrature of the Galerkin weak form becomes simpler. Numerical experiments are provided to demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed method.
An adaptive nonlinear artificial dissipation model is presented for performing aeroacoustic computations by the high-order and high-resolution numerical schemes based on the central finite differences. An effective formalism of it is devised by combining a selective background smoothing term and a well-established nonlinear shock-capturing term which is for the temporal accuracy as well as the numerical stability. A conservative form of the selective background smoothing term is presented to keep accurate phase speeds of the propagating nonlinear waves. The nonlinear shock-capturing term that has been modeled by the second-order derivative term is combined with it to improve the resolution of discontinuities and stabilize the strong nonlinear waves. It is shown that the improved artificial dissipation model with an adaptive control constant which is independent of problem types reproduces the correct profiles and speeds of nonlinear waves, suppresses numerical oscillations near discontinuity and avoids unnecessary damping on the smooth linear acoustic waves. The feasibility and performance of the adaptive nonlinear artificial dissipation model are investigated by the applications to actual computational aeroacoustics problems.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제18권4호
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pp.729-739
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2017
The objective of this study was to optimize minimum-energy impulsive spacecraft intercept using genetic algorithms. A mathematical model was established on two-body system based on f and g solution and universal variable to address spacecraft intercept problem for non-coplanar elliptical orbits. This nonlinear problem includes many local optima due to discontinuity and strong nonlinearity. In addition, since it does not provide a closed-form solution, it must be solved using a numerical method. Therefore, the initial guess is that a very sensitive factor is needed to obtain globally optimal values. Genetic algorithms are effective for solving these kinds of optimization problems due to inherent properties of random search algorithms. The main goal of this paper was to find minimum energy solution for orbit transfer problem. The numerical solution using initial values evaluated by the genetic algorithm matched with results of Hohmann transfer. Such optimal solution for unrestricted arbitrary elliptic orbits using universal variables provides flexibility to solve orbit transfer problems.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제15권3호
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pp.45-56
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1991
This paper describes characteristics of the flow pattern of the flow past a rectangular cylinder experimentally investigated. The width-to-length ratio of the section varried from 2 to4. For the statistical treatment, autocorrelation coefficient, probability density function and power spectral density function are obtained by the digital processing technic through on-line system with a hot wire anemometer. As a results, it was found that strong periodic coherent eddies structure is sustained to about 20H downstream from the cylinder. And nearer the cylinder in the wake, the number of turbulent eddies of a large scale coherent structure are comparatively much more dominant than that of a small scale one. By the analysis of power spectrum, It was cleared that there exists a certain range of the width to length ratio between 2.5 and 3 of which the flow pattern changes abruptly with a sudden discontinuity in Strouhal number.
In this study an implicit algorithm for modeling of propagation of macrocracks in 3D concrete structures suffering from alkali-silica reaction has been developed and implemented. The formulation of the problem prior to the onset of localized deformation is based on a chemo-elasticity approach. The localized deformation mode, involving the formation of macrocracks, is described using a simplified form of the strong discontinuity approach (SDA) that employs a volume averaging technique enhanced by a numerical procedure for tracing the propagation path in 3D space. The latter incorporates a non-local smoothening algorithm. The formulation is illustrated by a number of numerical examples that examine the crack propagation pattern in both plain and reinforced concrete under different loading scenarios.
The Characteristic Flux Difference Splitting (CFDS) scheme designed to adapt the characteristic boundary conditions at the wall and inflow/outflow boundary planes satisfies Roe's property U, although the CFDS Jacobian matrix is decomposed by a product of elaborate transformation matrices and explicit eigenvalue matrix. When the CFDS algorithm, thus a variant of Roe's scheme, is applied straightforwardly to hypersonic flows over a blunt body, the strong bow shock gradually breaks down near the stagnation point. This numerical instability is widely observed by many researchers employing flux-difference method, known in the literature as the carbuncle phenomenon. Many remedies have been proposed and resulted in partial cures. When the idea of Sanders et al. which identifies the minimum eigenvalues near the discontinuity present is applied to CFDS method, it is shown that the instability problem can be controlled successfully. A few flux splitting methods have also been tested and results are compared against the Nakamori's Mach 8 blunt body flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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