Two fundamental issues exist in the damage theory of geo-material based on the concept of thermodynamics: existence or nonexistence of the dissipation potential, and whether the dissipation potential could be decoupled into a damage potential and a plastic one or not. Thermodynamics theory of elastoplastic damage assumes the existence of dissipation potential, but the presence of dissipation potential is conditional. Based on the dissipation inequality in accord with the second law of thermodynamics, the sufficient and necessary conditions are given for the existence of the dissipation potential separately in total and incremental forms firstly, and proved strictly in theory. With taking advantage of the basic mechanical properties of geo-materials, the nonexistence of the dissipative potential is verified. The sufficient and necessary conditions are also given and proved for the decoupling of the dissipation potential of geo-materials in total and incremental forms. Similarly, the non-decoupling of the dissipation potential has also been proved, which indicates the dissipation potential of geo-materials in total or incremental forms could not be decoupled into a dissipative potential for plasticity and that for damage respectively. The research results for the fundamental issues in the thermodynamics theory of damage will help establish and improve the theoretic basis of elastoplastic damage constitutive model for geo-materials.
Two fundamental issues exist in the damage theory of geo-material based on the concept of thermodynamics: existence or nonexistence of the dissipation potential, and whether the dissipation potential could be decoupled into a damage potential and a plastic one or not. Thermodynamics theory of elastoplastic damage assumes the existence of dissipation potential, but the presence of dissipation potential is conditional. Based on the dissipation inequality in accord with the second law of thermodynamics, the sufficient and necessary conditions are given for the existence of the dissipation potential separately in total and incremental forms firstly, and proved strictly in theory. With taking advantage of the basic mechanical properties of geo-materials, the nonexistence of the dissipative potential is verified. The sufficient and necessary conditions are also given and proved for the decoupling of the dissipation potential of geo-materials in total and incremental forms. Similarly, the non-decoupling of the dissipation potential has also been proved, which indicates the dissipation potential of geo-materials in total or incremental forms could not be decoupled into a dissipative potential for plasticity and that for damage respectively. The research results for the fundamental issues in the thermodynamics theory of damage will help establish and improve the theoretic basis of elastoplastic damage constitutive model for geo-materials.
The soil-structure relative stiffness is a key factor affecting the seismic response of underground structures. It is of great significance to study the soil-structure relative stiffness for the soil-structure interaction and the seismic disaster reduction of subway stations. In this paper, the dynamic shear modulus ratio and damping ratio of an inhomogeneous soft soil site under different buried depths which were obtained by a one-dimensional equivalent linearization site response analysis were used as the input parameters in a 2D finite element model. A visco-elasto-plastic constitutive model based on the Mohr-Coulomb shear failure criterion combined with stiffness degradation was used to describe the plastic behavior of soil. The damage plasticity model was used to simulate the plastic behavior of concrete. The horizontal and vertical relative stiffness ratios of soil and structure were defined to study the influence of relative stiffness on the seismic response of subway stations in inhomogeneous soft soil. It is found that the compression damage to the middle columns of a subway station with a higher relative stiffness ratio is more serious while the tensile damage is slighter under the same earthquake motion. The relative stiffness has a significant influence on ground surface deformation, ground acceleration, and station structure deformation. However, the effect of the relative stiffness on the deformation of the bottom slab of the subway station is small. The research results can provide a reference for seismic fortification of subway stations in the soft soil area.
This paper is concerned with numerical simulation of hypervelocity impacts(HVIs) of a projectile on laminated composite plate targets using SPH method. A one-parameter visco-plasticity model and damage model is used to describe the HVIs response of composite materials. The numerical simulation was carried out for a steel projectile striking to aluminum plate targets and for an aluminum projectile striking to laminated graphite/epoxy (Gr/Ep) composite plate targets. Through the numerical simulation, comparison with the HVIs response of isotropic materials and composite materials is discussed.
The focus of this research effort was characterization of the flexural and tensile properties of a specific ultra-high-strength, fiber-reinforced concrete material. The material exhibited a mean unconfined compressive strength of approximately 140 MPa and was reinforced with short, randomly distributed alkali resistant glass fibers. As a part of the study, coupled experimental, analytical and numerical investigations were performed. Flexural and direct tension tests were first conducted to experimentally characterize material behavior. Following experimentation, a micromechanically-based analytical model was utilized to calculate the material's tensile failure response, which was compared to the experimental results. Lastly, to investigate the relationship between the tensile failure and flexural response, a numerical analysis of the flexural experiments was performed utilizing the experimentally developed tensile failure function. Results of the experimental, analytical and numerical investigations are presented herein.
Softening function is the primary input for modeling the fracture of concrete when the cohesive crack approach is used. In this paper, based on the laboratory data on notched beams, an inverse algorithm is proposed that can accurately find the softening curve of the concrete. This algorithm uses non-linear finite element analysis and the damage-plasticity model. It is based on the kinematics of the beam at the late stages of loading. The softening curve, obtained from the corresponding algorithm, has been compared to other softening curves in the literature. It was observed that in determining the behavior of concrete, the usage of the presented curve made accurate results in predicting the peak loads and the load-deflection curves of the beams with different concrete mixtures. In fact, the proposed algorithm leads to softening curves that can be used for modeling the tensile cracking of concrete precisely. Moreover, the advantage of this algorithm is the low number of iterations for converging to an appropriate answer.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.1
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pp.37-44
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2019
A bond-based peridynamic model has been reported dynamic fracture characteristic of brittle materials through a simple constitutive model. In the model, each bond is assumed to be a simple spring operating independently. As a result, this simple bond interaction modeling restricts the material behavior having a fixed Poisson's ratio of 1/4 and not being capable of expressing shear deformation. We consider a state-based peridynamics as a generalized peridynamic model. Constitutive models in the state-based peridynamics are corresponding to those in continuum theory. In state-based peridynamics, thus, the response of a material particle depends collectively on deformation of all bonds connected to other particles. So, a state-based peridynamic theory can represent the volume and shear changes of the material. In this paper, the perfect plasticity is considered to express plastic deformation of material by the state-based peridynamic constitutive model with perfect plastic flow rule. The elastic-plastic behavior of the material is verified through the stress-strain curves of the flat plate example. Furthermore, we simulate the high-speed impact on 3D granite model with a nonlocal contact modeling. It is observed that the damage patterns obtained by peridynamics are similar to experimental observations.
A local behavior law, which includes elasticity, plasticity and damage, is developed in a three dimensional numerical model for concrete. The model is based on the Discrete Element Method (DEM)and the computational implementation has been carried out in the numerical Code YADE. This model was used to study the response of a concrete slab impacted by a rigid missile, and focuses on the extension of the compacted zone. To do so, the model was first used to simulate compression and hydrostatic tests. Once the local constitutive law parameters of the discrete element model were calibrated, the numerical model simulated the impact of a rigid missile used as a reference case to be compared to an experimental data set. From this reference case, simulations were carried out to show the importance of compaction during an impact and how it expands depending on the different impact conditions. Moreover, the numerical results were compared to empirical predictive formulae for penetration and perforation cases, demonstrating the importance of taking into account the local compaction process in the local interaction law between discrete elements.
Thirumalaiselvi, A.;Anandavalli, N.;Rajasankar, J.;Iyer, Nagesh R.
Steel and Composite Structures
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v.20
no.1
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pp.167-184
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2016
This paper presents the details of Finite Element (FE) analysis carried out to determine the limiting deformation capacity and failure mode of Laced Steel-Concrete Composite (LSCC) beam, which was proposed and experimentally studied by the authors earlier (Anandavalli et al. 2012). The present study attains significance due to the fact that LSCC beam is found to possess very high deformation capacity at which range, the conventional laboratory experiments are not capable to perform. FE model combining solid, shell and link elements is adopted for modeling the beam geometry and compatible nonlinear material models are employed in the analysis. Besides these, an interface model is also included to appropriately account for the interaction between concrete and steel elements. As the study aims to quantify the limiting deformation capacity and failure mode of the beam, a suitable damage model is made use of in the analysis. The FE model and results of nonlinear static analysis are validated by comparing with the load-deformation response available from experiment. After validation, the analysis is continued to establish the limiting deformation capacity of the beam, which is assumed to synchronise with tensile strain in bottom cover plate reaching the corresponding ultimate value. The results so found indicate about $20^{\circ}$ support rotation for LSCC beam with $45^{\circ}$ lacing. Results of parametric study indicate that the limiting capacity of the LSCC beam is more influenced by the lacing angle and thickness of the cover plate.
Ibrahimbegovic, Adnan;Mejia-Nava, Rosa Adela;Hajdo, Emina;Limnios, Nikolaos
Coupled systems mechanics
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v.11
no.2
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pp.167-198
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2022
In this paper we deal with classical instability problems of heterogeneous Euler beam under conservative loading. It is chosen as the model problem to systematically present several possible solution methods from simplest deterministic to more complex stochastic approach, both of which that can handle more complex engineering problems. We first present classical analytic solution along with rigorous definition of the classical Euler buckling problem starting from homogeneous beam with either simplified linearized theory or the most general geometrically exact beam theory. We then present the numerical solution to this problem by using reduced model constructed by discrete approximation based upon the weak form of the instability problem featuring von Karman (virtual) strain combined with the finite element method. We explain how such numerical approach can easily be adapted to solving instability problems much more complex than classical Euler's beam and in particular for heterogeneous beam, where analytic solution is not readily available. We finally present the stochastic approach making use of the Duffing oscillator, as the corresponding reduced model for heterogeneous Euler's beam within the dynamics framework. We show that such an approach allows computing probability density function quantifying all possible solutions to this instability problem. We conclude that increased computational cost of the stochastic framework is more than compensated by its ability to take into account beam material heterogeneities described in terms of fast oscillating stochastic process, which is typical of time evolution of internal variables describing plasticity and damage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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