In this article, an analytical procedure is presented for static analysis of composite cylinders with the geometrically nonlinear behavior, and non-uniform thickness profiles under different loading conditions by considering moderately large deformation. The composite cylinder includes two inner and outer isotropic layers and one honeycomb core layer with adjustable Poisson's ratio. The Mirsky-Herman theory in conjunction with the von-Karman nonlinear theory is employed to extract the governing equations which are a system of nonlinear differential equations with variable coefficients. The governing equations are solved analytically using the matched asymptotic expansion (MAE) method of the perturbation technique and the effects of moderately large deformations are studied. The presented method obtains the results with fast convergence and high accuracy even in the regions near the boundaries. Highlights: • An analytical procedure based on the matched asymptotic expansion method is proposed for the static nonlinear analysis of composite cylindrical shells with a honeycomb core layer and non-uniform thickness. • The effect of moderately large deformation has been considered in the kinematic relations by assuming the nonlinear von Karman theory. • By conducting a parametric study, the effect of the honeycomb structure on the results is studied. • By adjusting the Poisson ratio, the effect of auxetic behavior on the nonlinear results is investigated.
Han, Sang Whan;Hyun, Jungho;Cho, EunSeon;Lee, Kihak
Steel and Composite Structures
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v.42
no.5
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pp.657-669
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2022
Structural materials can experience large plastic deformation under extreme cyclic loading that is caused by events like earthquakes. To evaluate the seismic safety of a structure, accurate numerical material models should be used. For a steel structure, the cyclic strain hardening behavior of structural steel should be correctly modeled. In this study, a combined hardening model, consisting of one isotropic hardening model and three nonlinear kinematic hardening models, was used. To determine the values of the combined hardening model parameters efficiently and accurately, the improved opposition-based particle swarm optimization (iOPSO) model was adopted. Low-cycle fatigue tests were conducted for three steel grades commonly used in Korea and their modeling parameters were determined using iOPSO, which was first developed in Korea. To avoid expensive and complex low cycle fatigue (LCF) tests for determining the combined hardening model parameter values for structural steel, empirical equations were proposed for each of the combined hardening model parameters based on the LCF test data of 21 steel grades collected from this study. In these equations, only the properties obtained from the monotonic tensile tests are required as input variables.
Research on interfacial crack formation in orthotropic bi-materials has experienced a notable increase in recent years, driven by growing concerns about structural integrity and reliability. The existence of a crack at the interface of bi-materials has a substantial impact on mechanical strength and can ultimately lead to fracture. The primary objective of this article is to introduce a comprehensive analytical model and establish stress relationships for investigating interfacial crack between two non-identical orthotropic materials with desired crack-fiber angles. In this paper, we present the application of the Interfacial Maximum Tangential Stress (IMTS) criterion, in combination with the Reinforcement Isotropic Solid (RIS) model, to investigate the behavior of interfacial cracks in orthotropic bi-materials under mixed-mode I/II loading conditions. We analytically characterize the stress state at the interfacial crack tip using both Stress Intensity Factors (SIFs) and the T-stress term. Orthotropic materials, due to their anisotropic nature, can exhibit complex crack tip stress fields, making it challenging to predict crack initiation behavior. The secondary objective of this study is to employ the IMTS criterion to predict the crack initiation angle and explore the notable impact of the T-stress term on fracture behavior. Furthermore, we validate the effectiveness of our approach in evaluating Fracture Limit Curves (FLCs) for interfacial cracks in orthotropic bi-materials by comparing our FLCs with relevant experimental data from existing literature.
Kumail R. Al-Khafaji;Mohammed Y. Fattah;Makki K. Al-Recaby
Geomechanics and Engineering
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v.38
no.2
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pp.191-203
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2024
One of the issues with clayey soils, particularly those with significant quantities of organic matter, is the creep settling problem. Clay soils can be strengthened using a variety of techniques, one of which is the use of stone columns. Prior research involved foundation loading when the soil beds were ready and confined in one-dimensional consolidation chambers. In this study, a particular methodology is used to get around the model's frictional resistance issue. Initially, specimens were prepared via static compaction, and they were then re-consolidated inside a sizable triaxial cell while under isotropic pressure. With this configuration, the confining pressure can be adjusted, the pore water pressure beneath the foundation can be measured, and the spacemen's lateral border may be freely moved. This paper's important conclusions include the observation that secondary settlement declines with area replacement ratio. Because of the composite ground's increasing stiffness, the length to diameter ratio (l/d) and the stone column to sample height ratio (Hc/Hs) both increase. The degree of improvement varies from 12.4 to 55% according to area replacement ratio and (l/d) ratio.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.15
no.7
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pp.4087-4092
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2014
The gangway connection of the articulated high speed railway vehicles (HSRV) is a double wrinkled rubber component to seal the air of the corridor under a range of angular deviations between the carriage end parts. From the results of non-linear structural analysis, one of the severe loading conditions for the connection is mixed mode (rolling+yawing) angular displacements while passing through the small-radius curved siding track of the HSRV depot. In this study, to ensure the safety enhancement of the component, the optimal design for the cross section of that was performed using the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method. Nonlinear finite element analysis confirmed that the decreases in the maximum principal strain of the optimized design under rolling and mixed modes are 68% and 39%, respectively, compared to the initial design.
Statement of problem : There are many studies focused on the effect of shape of futures on stress distribution in the mandibular bone. However, there are no studies focused on the effect of the abutment types on stress distribution in mandibular bone. Purpose : The purpose of this study is to investigate the effect of three different abutment types on the stress distributions in the mandibular bone due to various loads by performing finite element analysis. Material and method : Three different implant systems produced by Warantec (Seoul, Korea), were modeled to study the effect of abutment types on the stress distribution in the mandibular bone. The three implant systems are classified into oneplant (Oneplant, OP-TH-S11.5). internal implant (Inplant, IO-S11.5) and external implant (Hexplant, EH-S11.5). All abutments were made of titanium grade ELI. and all fixtures were made of titanium grade IV. The mandibular bone used in this study is constituted of compact and spongeous bone assumed to be homogeneous, isotropic and linearly elastic. A comparative study of stress distributions in the mandibular bone with three different types of abutment was conducted. Results : It was found that the types of abutments have significant influence on the stress distribution in the mandibular bone. It was due to difference in the load transfer mechanism and the size of contact area between abutment and fixture. Also the maximum effective stress in the mandibular bone was increased with the increase of inclination angle of load. Conclusion : It was concluded that the maximum effective stress in the bone by the internal implant was the lowest among the maximum effective stresses by other two types.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.1
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pp.39-47
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2004
In this paper, the defects of two-dimensional anisotropic elastic bodies are identified by using the boundary element method. The use of numerical models that contain only boundary integral terns reduces the dimensionality of the problem by one. This advantage is particularly important in problems such as crack mechanics. Avoiding domain meshing is also particularly advantageous in the solution of inverse problems since it overcomes mesh perturbations and simplifies the procedure. In this paper, nondestructive approaches for the existing isotropic materials are extended to analyze the elastic bodies made of anisotropic materials such as composites. After verifying that the proposing boundary element model is in good agreement with numerical results reported by other investigators, the effect of noise in the measurements on the identifiability is studied with respect to different design parameters of layered composites. Sample studies are carried out for various layup configurations and loading conditions. The effects of the layup sequences in detecting flaw of composites is explored in this paper.
Nowadays computers can perform symbolic computations in addition to mere number crunching operations for which they were originally designed. Symbolic computation opens up exciting possibilities in Structural Mechanics and engineering. Classical areas have been increasingly neglected due to the advent of computers as well as general purpose finite element software. But now, classical analysis has reemerged as an attractive computer option due to the capabilities of symbolic computation. The repetitive cycles of simultaneous - equation sets required by the finite element technique can be eliminated by solving a single set in symbolic form, thus generating a truly closed-form solution. This consequently saves in data preparation, storage and execution time. The power of Symbolic computation is demonstrated by six examples by applying symbolic computation 1) to solve coupled shear wall 2) to generate beam element matrices 3) to find the natural frequency of a shear frame using transfer matrix method 4) to find the stresses of a plate subjected to in-plane loading using Levy's approach 5) to draw the influence surface for deflection of an isotropic plate simply supported on all sides 6) to get dynamic equilibrium equations from Lagrange equation. This paper also presents yet another computationally efficient and accurate numerical method which is based on the concept of derivative of a function expressed as a weighted linear sum of the function values at all the mesh points. Again this method is applied to solve the problems of 1) coupled shear wall 2) lateral buckling of thin-walled beams due to moment gradient 3) buckling of a column and 4) static and buckling analysis of circular plates of uniform or non-uniform thickness. The numerical results obtained are compared with those available in existing literature in order to verify their accuracy.
Kim, Hyun-Seok;Kim, Hyun-Sung;Park, Byoungjae;Lee, Kangsu
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.34
no.4
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pp.263-271
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2020
In this study, we performed a three-dimensional (3D) topology optimization of a fixed offshore structure to enhance its structural stiffness. The proposed topology optimization is based on the solid isotropic material with penalization (SIMP) method, where a volume constraint is applied to utilize an equivalent amount of material as that used for the rule-based scantling design. To investigate the effects of the main legs of the fixed offshore structure on its structural stiffness, the leg region is selectively considered in the design domain of the topology optimization problem. The obtained optimal designs and the rule-based scantling design of the structure are manufactured by 3D metal printing technology to experimentally validate the topology optimization. The behaviors under compressive loading of the obtained optimal designs are compared with those of the rule-based scantling design using a universal testing machine (UTM). Based on the structural experiments, we concluded that by employing the topology optimization method, the structural stiffness of the structure was enhanced compared to that of the rule-based scantling design for an equal amount of the fabrication material. Furthermore, by effectively combining the topology optimization and rule-based scantling methods, we succeeded in enhancing the structural stiffness and improving the breaking load of the fixed offshore structure.
In this study, the progressive inelastic deformation, so called, thermal ratchet phenomenon which can occur in high temperature liquid metal reactor was simulated with thermal ratchet structural test facility and 316L stainless steel test cylinder. The inelastic deformation of the reactor baffle cylinder can occur due to the moving temperature distribution along the axial direction as the hot free surface moves up and down under the cyclic heat-up and cool-down of reactor operations. The ratchet deformations were measured with the laser displacement sensor and LVDTs after cooling the structural specimen which experiences thermal load up to $550^{\circ}$ and the temperature differences of about $500^{\circ}C$. During structural thermal ratchet test, the temperature distribution of the test cylinder along the axial direction was measured from 28 channels of thermocouples and the temperatures were used for the ratchet analysis. The thermal ratchet deformation analysis was performed with the NONSTA code whose constitutive model is nonlinear combined kinematic and isotropic hardening model and the test results were compared with those of the analysis. Thermal ratchet test was carried out with respect to 9 cycles of thermal loading and the maximum residual displacements were measured to be 1.8mm. It was shown that thermal ratchet load can cause a progressive deformation to the reactor structure. The analysis results with the combined hardening model were in reasonable agreement with those of the tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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