Meza Fajardo, Kristel C.;Papageorgiou, Apostolos S.
Earthquakes and Structures
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v.3
no.3_4
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pp.383-411
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2012
The objective of the present paper is to review and implement the most recent developments in the Spectral Element Method (SEM), as well as improve aspects of its implementation in the study of wave propagation by numerical simulation in elastic unbounded domains. The classical formulation of the method is reviewed, and the construction of the mass matrix, stiffness matrix and the external force vector is expressed in terms of matrix operations that are familiar to earthquake engineers. To account for the radiation condition at the external boundaries of the domain, a new absorbing boundary condition, based on the Perfectly Matched Layer (PML) is proposed and implemented. The new formulation, referred to as the Multi-Axial Perfectly Matched Layer (M-PML), results from generalizing the classical Perfectly Matched Layer to a medium in which damping profiles are specified in more than one direction.
In this study, frictionless continuous and discontinuous contact problems of a magneto-electro-elastic layer in the presence of the body force were discussed. The layer was indented by a rigid cylindrical insulating punch and supported by a rigid substrate without bond. Applying the Fourier integral transform technique, the general expressions of the problem were derived in the presence of body force. Thanks to the boundary conditions, the singular integral equations were obtained for both the continuous and the discontinuous contact cases. Gauss-Chebyshev integration formulas were used to transform the singular integral equations into a set of nonlinear equations. Contact width under the punch, initial separation distance, critical load, separation regions and contact stress under the punch and between the layer, and substrate were given as a result.
PURPOSES: A viscoelastic axisymmetric finite element analysis code has been developed for stress analysis of asphalt pavement structures. METHODS: Generalized Maxwell Model (GMM) and 4-node isoparametric element were employed for finite element formulation. The code was developed using $C^{+}^{+}$ computer program language and named as KICTPAVE. For the verification of the developed code, a structural model of a pavement system was constructed. The structural model was composed of three layers: asphalt layer, crushed stone layer, and soil subgrade. Two types of analysis were considered for the verification: (1)elastic static analysis, (2)viscoelastic time-dependent analysis. For the elastic static analysis, linear elastic material model was assigned to all the layers, and a static load was applied to the structural model. For the viscoelastic time-dependent analysis, GMM and linear elastic material model were assigned to the asphalt layer and all the other layers respectively, and a cyclic loading condition was applied to the structural model. RESULTS: The stresses and deformations from KICTPAVE were compared with those from ABAQUS. The analysis results obtained from the two codes showed good agreement in time-dependent response of the element under the loading area as well as the surface deformation of asphalt layer, and horizontal and vertical stresses along the axisymmetric axis. CONCLUSIONS: The validity of KICTPAVE was confirmed by showing the agreement of the analysis results from the two codes.
Propagation of the generalized Rayleigh waves in an initially stressed elastic half-space covered by an elastic layer is investigated. It is assumed that the initial stresses are caused by the uniformly distributed normal compressional forces acting on the face surface of the covering layer. Two different cases where the compressional forces are "dead" and "follower" forces are considered. Three-dimensional linearized theory of elastic waves in initially stressed bodies in plane-strain state is employed and the elasticity relations of the materials of the constituents are described through the Murnaghan potential where the influence of the third order elastic constants is taken into consideration. The dispersion equation is derived and an algorithm is developed for numerical solution to this equation. Numerical results for the dispersion of the generalized Rayleigh waves on the influence of the initial stresses and on the influence of the character of the external compressional forces are presented and discussed. These investigations provide some theoretical foundations for study of the near-surface waves propagating in layered mechanical systems with a liquid upper layer, study of the structure of the soil of the bottom of the oceans or of the seas and study of the behavior of seismic surface waves propagating under the bottom of the oceans.
Electrostatically actuated test devices were designed to evaluate the elastic modulus of single crystalline Si (100) materials for MEMS device. Elastic modolus was calculated from resonant frequency by applying Rayleigh's energy method. Temperature effect on elastic properties was evaluated by detecting the resonant frequency change with increasing temperature to $600^{\circ}C$. The elastic modulus was decreased with heating and then increased with cooling, but specimen with thermal cycle showed a permanent change which is lower than the initial value. This phenomenon was explained by the change of interatomic force and the formation of $SiO_2$ layer on Si. The thickness of oxide layer was estimated by considering the change of mass and stiffness, and the formation of oxide layer was observed by the SEM photograph.
A unified formulation of finite layer methods (FLMs), based on the Reissner mixed variational theorem (RMVT), is developed for the three-dimensional (3D) coupled electro-elastic analysis of simply-supported, functionally graded piezoelectric material (FGPM) plates with open- and closed-circuit surface conditions and under electro-mechanical loads. In this formulation, the material properties of the plate are assumed to obey an exponent-law varying exponentially through the thickness coordinate, and the plate is divided into a number of finite rectangular layers, in which the trigonometric functions and Lagrange polynomials are used to interpolate the in- and out-of-plane variations of the primary field variables of each individual layer, respectively, such as the elastic displacement, transverse shear and normal stress, electric potential, and normal electric displacement components. The relevant orders used for expanding these variables in the thickness coordinate can be freely chosen as the linear, quadratic and cubic orders. Four different mechanical/electrical loading conditions applied on the top and bottom surfaces of the plate are considered, and the corresponding coupled electro-elastic analysis of the loaded FGPM plates is undertaken. The accuracy and convergence rate of the RMVT-based FLMs are assessed by comparing their solutions with the exact 3D piezoelectricity ones available in the literature.
The frictionless contact problem for a layered composite which consists of two elastic layers having different elastic constants and heights resting on two simple supports is considered. The external load is applied to the layered composite through a rigid stamp. For values of the resultant compressive force P acting on the stamp vertically which are less than a critical value $P_{cr}$ and for small flexibility of the layered composite, the continuous contact along the layer - the layer and the stamp - the layered composite is maintained. However, if the flexibility of the layered composite increases and if tensile tractions are not allowed on the interface, for P > $P_{cr}$, a separation may be occurred between the stamp and the layered composite or two elastic layers interface along a certain finite region. The problem is formulated and solved for both cases by using Theory of Elasticity and Integral Transform Technique. Numerical results for $P_{cr}$, separation initiation distance, contact stresses, distances determining the separation area, and the vertical displacement in the separation zone between two elastic layers are given.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.04a
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pp.195-198
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2005
The role of elastic/plastic mismatch on the contact crack initiation is investigated for designing desirable surface-coated asymmetric layered composites. Various layered composites such as $Si_3N_4$ ceramics on $Si_3N_4+BN$ composite, soda-lime glass on various substrates with different elastic modulus for the analysis. Spherical indentation is conducted for producing contact cracks from the surface or interface between the coating and the substrate layer. A finite element analysis of the stress fields in the loaded layer composites enables a direct correlation between the damage patterns and the stress distributions. Implications of these conclusions concerning the design of asymmetric layered composites indicate that the elastic modulus mismatch is one of the important parameter for designing layered composite to prevent the initiation of contact cracks.
Effect of elastic modulus mismatch on the contact crack initiation is investigated to find major parameters in designing desirable surface-coated system. Silicon nitride coated soft materials with various elastic modulus mismatch, E$\_$c//E$\_$s/=1.06∼356 are prepared for the analysis. Hertzian contact test is conducted for producing contact cracks and the acoustic emission detecting technique for measuring the critical load of crack initiation. The implication is that coating thickness and material strength are controllable parameters to prevent the initiation of contact cracks resulted from the elastic modulus mismatch in the hard ceramic coating layer on the soft materials.
Finite difference method using not general SSG(standard staggered grid) but RSG(rotated staggered grid) was applied to simulation of elastic wave propagation. Special free surface boundary condition such as imaging method is needed in finite difference method using SSG in elastic wave propagation but free surface boundary condition in finite difference method using RSG is easily solved with adding air layer. Recently PML(Perfectly Matched layer) is widely used to eliminate artificial reflection waves from finite boundary because of its' greate efficiency. Absorbing ability of CPML(convolutional Perfectly Matched Layer) that is more efficient than that of PML was applied to FDM using RSG in this study. The results of CPML eliminated artificial boundary waves very effectively in FDM using RSG in being compared with that of Cerjan's absorbing method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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