This paper treats the failure analysis of prestressing steel wires with different kinds of localised damage in the form of a surface defect (crack or notch) or as a mechanical action (transverse loads). From the microscopical point of view, the micromechanisms of fracture are shear dimples (associated with localised plasticity) in the case of the transverse loads and cleavage-like (related to a weakest-link fracture micromechanism) in the case of cracked wires. In the notched geometries the microscopic modes of fracture range from the ductile micro-void coalescence to the brittle cleavage, depending on the stress triaxiality in the vicinity of the notch tip. From the macroscopical point of view, fracture criteria are proposed as design criteria in damage tolerance analyses. The transverse load situation is solved by using an upper bound theorem of limit analysis in plasticity. The case of the cracked wire may be treated using fracture criteria in the framework of linear elastic fracture mechanics on the basis of a previous finite element computation of the stress intensity factor in the cracked cylinder. Notched geometries require the use of elastic-plastic fracture mechanics and numerical analysis of the stress-strain state at the failure situation. A fracture criterion is formulated on the basis of the critical value of the effective or equivalent stress in the Von Mises sense.
The nonlinear numerical analysis of the impact response of reinforced concrete/mortar beam incorporated with the updated Lagrangian method, namely the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is carried out in this study. The analysis includes the simulation of the effects of high mass low velocity impact load falling on beam structures. Three material models to describe the localized failure of structural elements are: (1) linear pressure-sensitive yield criteria (Drucker-Prager type) in the pre-peak regime for the concrete/mortar meanwhile, the shear strain energy criterion (Von Mises) is applied for the steel reinforcement (2) nonlinear hardening law by means of modified linear Drucker-Prager envelope by employing the plane cap surface to simulate the irreversible plastic behavior of concrete/mortar (3) implementation of linear and nonlinear softening in tension and compression regions, respectively, to express the complex behavior of concrete material during short time loading condition. Validation upon existing experimental test results is conducted, from which the impact behavior of concrete beams are best described using the SPH model adopting an average velocity and erosion algorithm, where instability in terms of numerical fragmentation is reduced considerably.
In the present study, the elasto-plastic analysis of prismatic plate structures subjected to pure bending is carried out using the finite strip method. The end cross-sections of the structure are assumed to remain plane during deformation, and the compatibility along corner lines is ensured by choosing proper displacement functions. The effects of both the initial geometrical imperfections and residual stresses due to fabrication are included in the combined geometrically and materially nonlinear simulation. The von-Mises yield criterion and the Prandtl-Reuss flow theory of plasticity are applied in modelling the elasto-plastic behavior of material. Newton-Raphson iterations are carried out as the rotation of the end cross sections of the structure is increased step by step. The parameter representing the overall axial strain of structure is adjusted constantly during the iteration process in order to eliminate the resulting overall axial force on any cross-section of the structure in correspondence with the assumption of zero axial force in pure bending. Several numerical examples are presented to validate the present method and to investigate the effects of some material and geometrical parameters.
Zarandi, Somayeh Bagherinejad;Lai, Hsiang-Wei;Wang, Yun-Che;Aizikovich, Sergey M.
Coupled systems mechanics
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v.8
no.3
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pp.273-287
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2019
Elastoplastic analysis of an annular disc, being fully constrained on its outer rim and interacting with a purely elastic inclusion perfectly bonded with its inner rim, is conducted to study its plastic deformation and residual stress under thermal cycles. The system is termed the composite disc. Quasi-static plane-strain deformation is assumed, and the von Mises yield criterion with or without the Ludwik hardening rule is adopted in our finite element calculations. Effects of multiple material properties simultaneously being temperature dependent on the plastic behavior of the composite disc are considered. Residual stress is analyzed from a complete loading and unloading cycle. Results are discussed for various inclusion radii. It is found that when temperature dependent material properties are considered, the maximum residual stress may be greater than the maximum stress inside the disc at the temperature-loaded state due to lower temperature having larger yield stress. Temperature independent material properties overestimate stresses inside materials, as well as the elastic irreversible temperature and plastic collapse temperature.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.21
no.1
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pp.66-72
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2022
The Mooney-Rivlin second order optimal strain energy function derived through uniaxial tensile test and analysis was applied to a gasket to confirm the internal stress and surface pressure generated during compression. The Taguchi method, a statistical technique, was used to design the optimum shape of the gasket, and through characteristic evaluation, the optimum shape of the gasket was obtained when the reference plane (T: 0.15 mm), contact surface (W: 1.00 mm), and curvature (R: 0.30 mm) were used. It was determined that the optimum shape yields a von Mises stress of 4.83 MPa, and the contact pressure stress is 20.14 MPa, which satisfies breakage and sealing requirements. In the future, we plan to manufacture a jig that can measure surface pressure to conduct comparative verification studies between the test results and analysis results.
Concrete-filled steel tubes are among the most efficient compressive structural members because the strength of the concrete is enhanced given that the surrounding steel tube confines the concrete laterally and the steel tube is restrained with regard to inward deformation due to the concrete existing inside. Accurate estimations of the ultimate compressive strength of CFT are important for efficient designs of CFT members. In this study, an analytical procedure that directly formulates the interaction between the concrete and steel tube by considering the nonlinear Poisson effect and stress-strain curve of the concrete including the confinement effect is proposed. The failure stress of concrete and von-Mises failure yield criterion of steel were used to consider multi-dimensional stresses. To verify the prediction capabilities of the proposed analytical procedure, 99 circular CFT experimental data instances from other studies were used for a comparison with AISC, Eurocode 4, and other researchers' predictions. From the comparison, it was revealed that the proposed procedure more accurately predicted the ultimate compressive strength of a circular CFT regardless of the range of the design variables, in this case the concrete compressive strength, yield strength of the steel tube and diameter relative to the thickness ratio of the tube.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.3
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pp.403-414
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1994
Nonlinear analysis of RC containment structure under thermal load and pressure is presented to trace the behaviour after an assumed LOCA. The temperature distribution varying with time through the wall thickness is determined by transient finite element analysis with the two time level scheme in time domain. The layered shell finite elements are used to represent the containment structures in nuclear power plants. Both geometric and material nonlinearities are taken into account in the finite element formulation. The constitutive relation of concrete is modeled according to Drucker-Prager yield criteria in compression. Tension stiffening model is used to represent the tensile behaviour of concrete including bond effect. The reinforcing bars are modeled by smeared layer at the location of reinforcements accounting elasto-plastic axial behaviors. The steel liner model under Von Mises yield criteria is adopted to represent elastic-perfect plastic behaviour. Geometric nonlinearity is formulated to consider the large displacement effect. Thermal stress components are determined by the initial strain concept during each time step. The temperature differential between any two consecutive time steps is considered as a load incremental. The numerical results from this study reveal that nonlinear temperature gradient based on transient thermal analysis will produces excessive large displacement. Nonlinear behavior of containment structures up to ultimate stage can be traced reallistically. The present study allows more realistic analysis of concrete containment structures in nuclear power plants.
Journal of Dental Rehabilitation and Applied Science
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v.29
no.3
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pp.259-271
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2013
The purpose of this study was to make the stress distribution produced by simulated different load under two types of internal connection implant system (stepped and tapered type) by means of 3D finite element analysis, The finite element model was designed with the parallel placement of the one fixtures ($4.0mm{\times}11.5mm$) with reverse buttress thread on the mandibular 1st molar. Two models were loaded with 200 N magnitude in the vertical direction on the central position of the crown, the 1.5 mm and 3 mm buccal offset point from the central position of the fixture. The oblique load was applied at the angle of $30^{\circ}$ on the crown surface. Von Mises stress value was recorded and compared in the fixture-bone interface in the bucco-lingual dimension. The results were as follows; 1. The loading conditions of two internal connection implant systems (stepped and tapered type) were the main factor affecting the equivalent bone strain, followed by the type of internal connections. 2. The stepped model had more mechanical stability with the reduced max. stress compared to $11^{\circ}$ tapered models under the distributed oblique loading. 3. The more the contact of implant-abutment interface to the inner wall of implant fixture, the less stress concentration was reduced.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.2
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pp.121-128
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2020
The purpose of this study is to investigate the distribution patterns of displacement and acceleration fields in a nonlinear soil ground based on the interaction of high-speed train, wheel, rail, and ground. For this purpose, a high-speed train in motion was modeled as the actual wheel, and the vertical contact of wheel and rail and the lateral contact, caused by meandering motion, were simulated; this simulation was based on the moving mass analysis. The soil ground part was given the nonlinear behavior of the upper ground part by using the modified the Drucker-Prager model, and the changes in displacement and acceleration were compared with the behavior of the elastic and inelastic grounds. Using this analysis, the displacement and acceleration ranges close to the actual ground behavior were addressed. Additionally, the von-Mises stress and equivalent plastic strain at the ground were examined. Further, the equivalent plastic and total volumetric strains at each failure surface were examined. The variation in stresses, such as vertical stress, transverse pressure, and longitudinal restraint pressure of wheel-rail contact, with the time history was investigated using moving mass. In the case of nonlinear ground model, the displacement difference obtained based on the train travel is not large when compared to that of the elastic ground model, while the acceleration is caused to generate a large decrease.
Park, Hyun-Soo;Lim, Sung-Bin;Chung, Chin-Hyung;Hong, Ki-Seok
Journal of Periodontal and Implant Science
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v.36
no.2
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pp.531-554
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2006
Oral implants must fulfill certain criteria arising from special demands of function, which include biocompatibility, adequate mechanical strength, optimum soft and hard tissue integration, and transmission of functional forces to bone within physiological limits. And one of the critical elements influencing the long-term uncompromise functioning of oral implants is load distribution at the implant- bone interface, Factors that affect the load transfer at the bone-implant interface include the type of loading, material properties of the implant and prosthesis, implant geometry, surface structure, quality and quantity of the surrounding bone, and nature of the bone-implant interface. To understand the biomechanical behavior of dental implants, validation of stress and strain measurements is required. The finite element analysis (FEA) has been applied to the dental implant field to predict stress distribution patterns in the implant-bone interface by comparison of various implant designs. This method offers the advantage of solving complex structural problems by dividing them into smaller and simpler interrelated sections by using mathematical techniques. The purpose of this study was to evaluate the stresses induced around the implants in bone using FEA, A 3D FEA computer software (SOLIDWORKS 2004, DASSO SYSTEM, France) was used for the analysis of clinical simulations. Two types (external and internal) of implants of 4.1 mm diameter, 12.0 mm length were buried in 4 types of bone modeled. Vertical and oblique forces of lOON were applied on the center of the abutment, and the values of von Mises equivalent stress at the implant-bone interface were computed. The results showed that von Mises stresses at the marginal. bone were higher under oblique load than under vertical load, and the stresses were higher at the lingual marginal bone than at the buccal marginal bone under oblique load. Under vertical and oblique load, the stress in type I, II, III bone was found to be the highest at the marginal bone and the lowest at the bone around apical portions of implant. Higher stresses occurred at the top of the crestal region and lower stresses occurred near the tip of the implant with greater thickness of the cortical shell while high stresses surrounded the fixture apex for type N. The stresses in the crestal region were higher in Model 2 than in Model 1, the stresses near the tip of the implant were higher in Model 1 than Model 2, and Model 2 showed more effective stress distribution than Model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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