Finite element analysis and design optimization of a non-circular sandwich composite deep submarine pressure hull

Diving depth is the criteria for designing the submarine pressure hull meant to achieve a definite collapse depth. In this study, a methodology to optimize a sandwich composite deep pressure hull is presented. Buoyancy factor (BF) minimization is considered as an objective function. The optimization process is achieved by ANSYS parametric design language (APDL). Composites failure criteria and structural stability are considered as constraints. Additionally, sensitivity analyses were conducted to analyze the effects of geometric parameters on optimal structural design. The results showed that, the utilization of a sandwich composite pressure hull for a deep submarine at extreme depths is not safe. Additionally, the results propose that the submarine designed should be able to operate at a maximum diving depth of up to 7500 m.

Generalized displacement correlation method for mechanical and thermal fracture of FGM

The main objective of this work is to present a numerical modeling of mixed-mode fracture in isotropic functionally graded materials (FGMs), under mechanical and thermal loading conditions. In this paper, the displacement-based method, termed the generalized displacement correlation (GDC) method, is investigated for estimating stress intensity factor (SIF). Using the ANSYS Parametric Design Language (APDL), the continuous variations of the material properties are incorporated by specified parameters at the centroid of each element. This paper presents various numerical examples in which the accuracy of the present method is verified. Comparisons have been made between the SIFs predicted by the GDC method and the available reference solutions in the current literature. A good agreement is achieved between the results of the GDC method and the reference solutions.

Parametric Design and Static Performance Comparison of Six Typical Spherical Semi-open Reticulated Shell

By using ANSYS Parametric Design Language (APDL), this paper compiled the parametric design macro program for six types of single-layer semi-open spherical reticulated shell structure. Parametric design of the six types of reticulated shell structure was realized with given parameters of span S, the vector high F, radial node cycles number Nx, ring to symmetric regional copies number Kn, and the upper removed laps Ns. The stress performance of the six types of reticulated shell structure was compared and analyzed. Modelling examples demonstrated that the parametric design macro program is simple, practical and improves the efficiency of the selection of the reticulated shell design and the stress analysis under different geometric parameters. Through the comparative analysis of stress performance, some conclusions with engineering significance were obtained.

Computation of SIFs for cracked FGMs under mechanical and thermal loadings

The objective of this study is to present a numerical modeling of mixed-mode fracture in isotropic functionally graded materials (FGMs), under mechanical and thermal loading conditions. In this paper, a modified displacement extrapolation technique (DET) was proposed to calculate the stress intensity factor (SIFs) for isotropic FGMs. Using the Ansys Parametric Design Language APDL, the continuous variations of the material properties are incorporated by specified parameters at the centroid of each element. Three numerical examples are presented to evaluate the accuracy of SIFs calculated by the proposed method. Comparisons have been made between the SIFs predicted by the DET and the available reference solutions in the current literature. A good agreement is obtained between the results of the DET and the reference solutions.

Power Transformer’s Electrostatic Ring Optimization Based on ANSYS Parametric Design Language and Response Surface Methodology

In this paper, in view of the low efficiency of the traditional finite element method (FEM), which has been widely used in the insulation design of power transformers, the response surface methodology (RSM) is proposed to optimize the insulation structure of a power transformer electrostatic ring. Firstly, the power transformer model was built using the ANSYS parametric design language (APDL) to realize the automatic pre-processing of numerical calculation. Then with the objective of reducing the maximum electric field intensity, the Taguchi method was used to select the parameters that have a greater impact on the maximum electric field intensity, by which the subsequent optimization process could be effectively simplified. The test points were constructed by the central composite design (CCD) and a response surface model was established by the mutual calls of MATLAB and ANSYS. Finally, the variance analysis, diagnostic analysis, and significance test of regression were carried out to obtain the final response surface model. By comparing the result of RSM with that of FEM, we can find that the results obtained by the two methods are consistent and the maximum electric field strength is obviously reduced. The RSM is more systematic and convincing, which improves the optimization efficiency and provides a reliable and fast way for the optimization of power transformers.

The experimental validation of a numerical model for the receptance prediction

The traditional ballasted track with wooden sleepers covers today most railway lines constructions, including the tracks of tram and metro or the industrial railway branching. In this work, we present an experimental methodology to validate a numerical model based on finite element method, the model was previously well defined using the ANSYS Parametric Design Language (APDL) and adapted to represent a classical ballasted track. The obtained result of the analysis is expressed as a frequency response of the track and it is compared to the experimental result from measurements made on the metropolitan classical railway track of Barcelona.

Design and construction of an apparatus to visualize incompressible fluid flow in several regimes

In this work, the design and construction of a didactic experimental equipment to visualize the fluid flow behavior in the laminar, transition and turbulent regimes is presented; as well as the ability to measure and display the respective Reynolds number (Re) of each flow; current educational equipments have limited or null capacity in this regard. The equipment was designed taking into account the basic laws of fluids such as mass, momentum and energy conservation. The analytical calculations were numerically validated using the finite element method (FEM), for which the Ansys software was used in its Ansys@ Parametric Design Language (APDL) and Workbench platforms. Solidworks tools for conceptual design and Stratasys Catalist for three dimension (3D) printing were used. Additionally, hardware was implemented for the step of measuring the flow velocity, temperature and Re calculation. The apparatus is a valuable resource in fluid flow visualization since it permits to read several fluid parameters immediately from a display.

Optimization of composite ring stiffened cylindrical hulls for unmanned underwater vehicles using multi-island genetic algorithm

The usage of composite material helps reducing structure’s weight in many conditions. In this paper, The Composite Ring Stiffened Cylindrical Hulls used by Unmanned Underwater Vehicles is optimized in various depths. The optimization aims to reducing the weight of the composite ring stiffened cylindrical hulls. Two candidate composite materials, T700/Epoxy and B(4)5505/Epoxy, are chosen to form the outer shell and stiffeners. Number and shape of the stiffeners, ply angles, and the number of the plies are considered. The Multi-Island Genetic Algorithm (MIGA) is performed in MATLAB and a new two-step method is proposed in crossover operations. ANSYS parametric design language is integrated in optimization procedure to ensure the acceptance of the optimal result. The results reveal that the proposed two-step method for multi-island genetic algorithm is efficiency and robust in reducing the weight of the composite ring stiffened cylindrical hulls. The weight for optimized composite ring stiffened cylindrical hulls with T700/Epoxy shells and B(4)5505/Epoxy stiffeners is 10.5% lighter than that with single composite material when the operating depth is 200 m.

PROCEDIMENTO PARA ANÁLISE NUMÉRICA COM SOFTWARE ANSYS DE UMA VIGA EM FLEXÃO COM A FORMA T

RESUMO: Desenvolvida no Software ANSYS, este trabalho se constitui de uma análise numérica de uma viga de seção na forma de T invertido engastada em uma extremidade e outra sem vinculação, com um momento concentrado aplicado na extremidade livre. O desenvolvimento se deu no âmbito bidimensional com base nos tópicos de ajuda do Software utilizando o modelo VM10. Cada etapa do processo foi descrita em sequência, possibilitando ao leitor replicar e verificar o modelo realizado, além de expor os critérios utilizados. Estão listadas neste trabalho, as operações utilizando a linguagem APDL (ANSYS Parametric Design Language), facilitando a reprodução da análise. Como forma de verificação os resultados obtidos na modelagem numérica foram comparados com uma solução analítica, embasada nas teorias da Resistência dos Materiais. Observou-se que as diferenças entre os resultados no modelo numérico e os encontrados pelo modo analítico são quase nulas, comprovando a confiabilidade do Software ANSYS mostrando-se bastante eficaz para analisar estruturas como as analisadas nesta proposta até as mais complexas.ABSTRACT: This work presents a numerical analysis carried out in the Software ANSYS of an inverted T-beam clamped at one end and free at the other, with a concentrated moment being applied at the free end. The analysis was two-dimensional and based on the help topics of the Software using the model VM10. Each step of the process was described in sequence and the criteria used were specified, allowing the reader to replicate and verify the model used. This work also lists the operations using the APDL language (ANSYS Parametric Design Language), which facilitates the reproduction of the analysis. As a way of verifying the results found in the numerical modeling, they were compared to an analytical solution based on the theories of Strength of Materials. The differences found between the numerical model results and those of the analytical model are almost null, therefore indicating the reliability of the Software ANSYS which proves itself effective in analyzing structures as the one analyzed in this work or more complex ones.

Σεισμική απόκριση και αποτίμηση οριακής αντοχής χωμάτινων φραγμάτων

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά τη σεισμική απόκριση χωμάτινων φραγμάτων με απώτερο σκοπό την αποτίμηση της οριακής αντοχής τους. Οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν συνολικά σε κώδικα APDL (ANSYS Parametric Design Language) του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων ΑΝSYS (ΑΝSYS 14.0). Αρχικά, στο Κεφάλαιο 2 διεξάγονται παραμετρικές στατικές αναλύσεις προκειμένουνα επιτευχθεί μια αξιόπιστη εκτίμηση του μέτρου διάτμησης του αργιλικού πυρήνα και των σωμάτων αντιστήριξης από αμμοχάλικο που χρησιμοποιούνται συνήθως στην κατασκευή χωμάτινων φραγμάτων. Συγκεκριμένα μελετάται το χωμάτινο φράγμα του Μόρνου και εφαρμόζεται μια επαναληπτική διαδικασία που λαμβάνει υπόψιν την επιρροή της μέσης οκταεδρικής ενεργoύ τάσης καθώς και της γωνιακής παραμόρφωσης για κάθε πεπερασμένο στοιχείο σε κάθε βήμα επανάληψης. Οι στατικές αναλύσεις πραγματοποιούνται σε δύο διαστάσεις υπό συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης και σε τρεις διαστάσεις, συνυπολογίζοντας την επίδραση του ταμιευτήρα. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα για την κατανόηση της μηχανικήςσυμπεριφοράς των χωμάτινων φραγμάτων υπό φορτία βαρύτητας. Στο Κεφάλαιο 3 μελετάται η ιδιομορφική ανάλυση χωμάτινων φραγμάτων με την μονοδιάστατη εξίσωση της «διατμητικής δοκού» και με προσομοίωση με τα πεπερασμένα στοιχεία στις δύο και τρεις διαστάσεις. Η σύγκριση των τιμών της πρώτης και δεύτερης ιδιοπεριόδου φανερώνει το βαθμό ικανοποιητικής εφαρμογής και τους περιορισμούς της εξιδανίκευσης της «διατμητική δοκού» στα χωμάτινα φράγματα του Μόρνου και Long Valley (Καλιφόρνια, Η.Π.Α.). Επιπλέον, οι παραμετρικές ανάλυσεις του φράγματος του Μόρνου σε δύο και τρεις διαστάσεις αναδεικνύουν την επίδραση του ταμιευτήρα, του μέτρου διάτμησης και της γεωμετρίας του φράγματος στα δυναμικά χαρακτηριστικά του. Στη συνέχεια, το Κεφάλαιο 4 επικεντρώνεται στην μελέτη της σεισμικής απόκρισης χωμάτινων φραγμάτων σε δύο διαστάσεις μέσω μιας ισοδύναμης γραμμικής δυναμικής ανάλυσης. Πραγματοποιείται μια θεωρητική επισκόπηση των μεθόδων ανάλυσης που υιοθετούνται με βάση τη βιβλιογραφία με απώτερο σκοπό την ανάδειξη των βασικών παραδοχών και περιορισμών της εκάστοτε μεθόδου. Στη συνέχεια, διερευνάται η σεισμική απόκριση του φράγματος του Μόρνου σε δύο στάδια που περιλαμβάνουν (α) τη ρεαλιστική εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας της ευρύτερης περιοχής με την επιλογή δέκα σεισμικών διεγέρσεων σύμφωνα και με τα φάσματα σχεδιασμού (Ε.Α.Κ2000 και ΕC8) και (β) την εφαρμογή της ισοδύναμης γραμμικής δυναμικής ανάλυσης στο πεδίο του χρόνου (time-history analysis) με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, η οποία βασίζεται σε μια επαναληπτική διαδικασία σύμφωνα με τις αντιπροσωπευτικές τιμές των διατμητικών παραμορφώσεων που αναπτύσονται για κάθε πεπερασμένο στοιχείο σε κάθε χρονικό βήμα της ανάλυσης. Τα αποτελέσματα που εξάγονται δίνουν μια αντιπροσωπευτική εικόνα της δυναμικής συμπεριφοράς χωμάτινων φραγμάτων όταν λαμβάνεται υπόψιν η αλληλεπίδραση φράγματος-ταμιευτήρα.Λόγω του ότι η ισοδύναμη γραμμική ανάλυση συγκλίνει σε αρκετά μεγάλες διατμητικές παραμορφώσεις του χωμάτινου φράγματος του Μόρνου, η διατριβή ερευνά στο Κεφάλαιο 5 την οριακή αντοχή του φράγματος με βάση ένα αξιόπιστο κριτήριο αστοχίας, όπου οι εδαφικές παράμετροι έχουν προσδιοριστεί πειραματικά (Ε.ΥΔ.ΑΠ. Α.Ε., 2011). Ουσιαστικά, διατυπώνεται μια μέθοδος προσδιορισμού της οριακής κατάστασης χωμάτινων φραγμάτων σε όρους ενεργών τάσεων λόγω της διαρροής του εδαφικού υλικού (limit state analysis) όταν το φράγμα ταλαντώνεται υπό σεισμική διέγερση. Η συγκεκριμένη μέθοδος βασίζεται στην εξίσωση διαρροής Ηoulsby (1986),ενσωματώνοντας τις παραμέτρους αντοχής του αργιλικού πυρήνα και των σωμάτων αντιστήριξης και εφαρμόζεται σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο για κάθε χρονικό βήμα απόκρισης του χωμάτινου φράγματος του Μόρνου, το οποίο μελετάται διεξοδικά στην παρούσα διατριβή. Με τον τρόπο αυτό, προσδιορίζονται οι κρίσιμες ζώνες ολίσθησης λόγω δημιουργίας μεγάλων πλαστικών διατμητικών παραμορφώσεων στο χωμάτινο φράγμα και δύναται να υπολογιστούν οι αντίστοιχες συσσωρευμένες μετακινήσεις λόγω ολίσθησης κατά το επίπεδο αστοχίας. Το κεφάλαιο 6 ασχολείται με τον έλεγχο επάρκειας της στοάς επισκέψεως του φράγματος του Μόρνου λόγω ροής ύδατος στο εσωτερικό της. Μελετάται η εντατική κατάσταση που αναπτύσσσεται στη διατομή διαρροής (z=52m) του φράγματος με κορεσμένο το ανάντη κέλυφος και πλήρη ταμιευτήρα υπό φορτία βαρύτητας σε δύο και τρεις διαστάσεις και ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην περιοχή της στοάς επισκέψεως. Παράλληλα, αναλύεται η εντατική κατάσταση της στοάς όταν το φράγμα διεγείρεται από ισχυρές σεισμικές διεγέρσεις. Για τα αποτελέσματα των στατικών και δυναμικών αναλύσεων πραγματοποιείται ο έλεγχος επάρκειας της στοάς επισκέψεως του φράγματος του Μόρνου.