The tailoring optimization technique recently developed by the author for improving structural response and energy absorption of composites is extended to sandwich shells using a previously developed zig-zag shell model with hierarchic representation of displacements. The in-plane variation of the stiffness properties of plies and the through-the thickness variation of the core properties are determined solving the Euler-Lagrange equations of an extremal problem in which the strain energy due to out-of-plane strains and stresses is minimised, while that due to their in-plane counterparts is maximised. In this way, the energy stored by unwanted out-of-plane modes involving weak properties is transferred to acceptable in-plane modes. As shown by the numerical applications, the critical interlaminar stress concentrations at the interfaces with the core are consistently reduced without any bending stiffness loss and the strength to debonding of faces from the core is improved. The structural model was recently developed by the author to accurately describe strain energy and interlaminar stresses from the constitutive equations. It a priori fulfills the displacement and stress contact conditions at the interfaces, considers a second order expansion of Lame's coefficients and a hierarchic representation that adapts to the variation of solutions. Its functional d.o.f. are the traditional mid-plane displacements and the shear rotations, so refinement implies no increase of the number of functional d.o.f. Sandwich shells are represented as multilayered shells made of layers with different thickness and material properties, the core being treated as a thick intermediate layer.
This paper presents a new method to study the impact factor of an old bridge based on the model updating technique. Using the genetic algorithm (GA) by minimizing an objective function of the residuals between the measured and predicted responses, the bridge and vehicle coupled vibration models were updated. Based on the displacement relationship and the interaction force relationship at the contact patches, the vehicle-bridge coupled system can be established by combining the equations of motion of both the bridge and vehicles. The simulated results show that the present method can simulate precisely the response of the tested bridge; compared with the other bridge codes, the impact factor specified by the bridge code of AASHTO (LRFD) is the most conservative one, and the value of Chinese highway bridge design code (CHBDC) is the lowest; for the large majority of old bridges whose road surface conditions have deteriorated, calculating the impact factor with the bridge codes cannot ensure the reliable results.
The modeling of the mechanical behavior of quasi-brittle materials is still a challenge task, mainly in failure processes when fracture and plasticity phenomena become important actors in dissipative processes which occur in materials like concrete, as instance. Many homogenization-based approaches have been proposed to deal with heterogeneous materials in the last years. In this context, a computational homogenization modeling for concrete is presented in this work using the concept of Representative Volume Element (RVE). The material is considered as a three-phase material consisting of interface zone (ITZ), matrix and inclusions-each constituent modeled by an independent constitutive model. The Representative Volume Element (RVE) consists of inclusions idealized as circular shapes symmetrically and nonsymmetrically placed into the specimen. The interface zone is modeled by means of cohesive contact finite elements. The inclusion is modeled as linear elastic and matrix region is considered as elastoplastic material. A set of examples is presented in order to show the potentialities and limitations of the proposed modeling. The consideration of the fracture processes in the ITZ is fundamental to capture complex macroscopic characteristics of the material using simple constitutive models at mesoscopic level.
In this paper, free vibration characteristics of functionally graded (FG) nanobeams embedded on elastic medium are investigated based on third order shear deformation (Reddy) beam theory by presenting a Navier type solution for the first time. The material properties of FG nanobeam are assumed to vary gradually along the thickness and are estimated through the power-law and Mori-Tanaka models. A two parameters elastic foundation including the linear Winkler springs along with the Pasternak shear layer is in contact with beam. The small scale effect is taken into consideration based on nonlocal elasticity theory of Eringen. The nonlocal equations of motion are derived based on third order shear deformation beam theory through Hamilton's principle and they are solved applying analytical solution. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling can provide accurate frequency results of the FG nanobeams as compared to some cases in the literature. The obtained results are presented for the vibration analysis of the FG nanobeams such as the influences of foundation parameters, gradient index, nonlocal parameter and slenderness ratio in detail.
This paper presents a detailed theoretical study of the sleeved compression members based on a mechanical model. In the mechanical model, the core protrusion above sleeve and the contact force between the core and sleeve are specially taken into account. Via the theoretical analyses, load-displacement relationships of the sleeved compression members are obtained and verified by the experimental results. On the basis of the core moment distribution changing with the increase of the applied axial load, failure mechanism of the sleeved compression members is assumed and proved to be consistent with the experimental results in terms of the failure modes and the ultimate bearing capacities. A parametric study is conducted to quantify how essential factors including the core protrusion length above sleeve, stiffness ratio of the core to sleeve, core slenderness ratio and gap between the core and sleeve affect the mechanical behaviors of the sleeved compression members, and it is concluded that the constrained effect of the sleeve is overestimated neglecting the core protrusion; the improvement of ultimate bearing capacity for the sleeved compression member is considered to be decreasing with the decrease of the core slenderness ratio and for the sleeved compression member with core of small slenderness ratio, small gap and small stiffness ratio are preferred to obtain larger ultimate bearing capacity and stiffness.
Adhesion phenomenon is more significant for smaller objects, because adhesional force is proportional to size of the objects while gravitational force is proportional to the third power of it. For the purpose of microassembly, theoretical understanding is required for the Adhesion phenomenon. Authors have developed a force measurement system in an ultra-high vacuum chamber of Auger electron spectroscopy. The force between arbitrary combination of materials can be measured at a pressure less than 100 nPa after and before Ar ion sputtering and chemical analysis for several atomic layers of the surface. The results are successfully interpreted with a theory of contact mechanics. Since surface energy is quite important in the interpretation, electronic theory is used to evaluate the surface energy. In the manipulation of small objects, the adhesional force is always attractive. Repulsive force is essential for the manipulation. It can be generated by Coulomb interaction. The voltage required for detachment is theoretically analyzed and the effect of boundary conditions on the detachment is obtained. The possibility and limitations of micro-manipulation using both the adhesion phenomenon and Coulomb interaction are theoretically clarified. Its applicability to nano-technology is found to be expected.
Wang, Zhijie;Ruiken, Axel;Jacobs, Felix;Ziegler, Martin
Geomechanics and Engineering
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v.7
no.6
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pp.665-678
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2014
In discrete element modeling, 2D software has been widely used in order to gain further insights into the fundamental mechanisms with less computational time. The porosities used in 2D DEM studies should be determined with appropriate approaches based on 3D laboratory porosities. This paper summarizes the main approaches for converting porosities from 3D to 2D for DEM studies and theoretical evaluations show that none of the current approaches can be widely used in dealing with soil mechanical problems. Therefore, a parabolic equation and a criterion have been suggested for the determination of 2D porosities in this paper. Moreover, a case study has been used to validate that the 2D porosity obtained from the above suggestion to be rational with both the realistic contact force distribution in the specimen and the good agreement of the DEM simulation results of direct shear tests with the corresponding experimental data. Therefore, the parabolic equation and the criterion are suggested for the determination of 2D porosities in a wide range of polydisperse particle systems, especially in dealing with soil mechanical problems.
Station is an important building in high-speed railway, and its vibration and noise may significantly affect the comfort of waiting passengers. A coupling vibration model for train-structure system is established to analyze and evaluate the vibration level of a typical waiting hall under dynamic train load. The motion of a four-axle vehicle with two suspension system is modeled in multi-body dynamics with linear springs and dampers employed. The station is modeled as a whole finite element structure which is 113 m in longitudinal and 163.5 m in lateral, and the stiffness of the station foundation is considered. According to the assumptions that both wheel and rail are rigid bodies and keep contact to each other in vertical direction, and the wheel/rail interaction and displacement coordination in horizontal direction is defined by the simplified Kalker creep theory, the vehicle spatial vibration model has 27 degrees-of-freedom. An overall analysis procedure is made of the train moving through the station, by which the dynamic responses of the train and the station are calculated. According to the comparison between analysis and test results, the actual connection status between different parts of the station is estimated and the vibration level of the waiting hall is evaluated.
Park, Heung-Sik;Kim, Yeong-Hui;Jeon, Tae-Ok;Jo, Yeon-Sang;Mun, Byeong-Ju
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.11
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pp.1737-1742
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2001
The fractal-based method for describing rubbed surface texture has aroused great interest. The determination of rubbed surface topography is believed to be extremely important in the areas of contact mechanics, adhesion and friction. In order to describe topography of the rubbed surface, the wear test was carried out with annular surfaces of wear testing specimens in dry friction. furthermore, the relation between the fractal dimensions and the frictional conditions are also investigated and fractal descriptors was applied to rubbed surface with image processing. Fractal dimension can be determined by sum of intensity difference of image surface pixel. Fractal dimension increased according as the applied load and sliding distance increase. Topography of the rubbed surface can be effectively obtained by fractal dimensions.
Kim, Kyeong-Suk;Jung, Hyun-Chul;Chang, Ho-Seob;Kim, Ha-Sig;La, Sung-Won
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.26
no.11
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pp.55-61
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2009
The wall thinning defect of nuclear power pipe is mainly occurred by the affect of the flow accelerated corrosion (FAC) of fluid. This type of defect becomes the cause of damage or destruction of in carbon steel pipes. Therefore, it is very important to measure defect which is existed not only on the welding part but also on the whole field of pipe. This study use dual-beam Shearography, which can measure the out-of-plane deformation and the in-plane deformation by using another illuminated laser beam and simple image processing technique. And this study proposes Infrared thermography, which is a two-dimensional non-contact nondestructive evaluation that can detect internal defects from the thermal distribution by the inspection of infrared light radiated from the object surface. In this paper, defect of nuclear power pipe were, measured using dual-beam shearography and infrared thermography, quantitatively evaluated by the analysis of phase map and thermal image pattern.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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