The successful performance of any numerical geotechnical simulation depends on the accuracy and efficiency of the numerical implementation of constitutive model used to simulate the stress-strain (constitutive) response of the soil. The corner stone of the numerical implementation of constitutive models is the numerical integration of the incremental form of soil-plasticity constitutive equations over a discrete sequence of time steps. In this paper a well known two-surface soil plasticity model is implemented using a generalized implicit return mapping algorithm to arbitrary convex yield surfaces referred to as the Closest-Point-Projection method (CPPM). The two-surface model describes the nonlinear behavior of coarse-grained materials by incorporating a bounding surface concept together with isotropic and kinematic hardening as well as fabric formulation to account for the effect of fabric formation on the unloading response. In the course of investigating the performance of the CPPM integration method, it is proven that the algorithm is an accurate, robust, and efficient integration technique useful in finite element contexts. It is also shown that the algorithm produces a consistent tangent operator $\frac{d\sigma}{d\varepsilon}$ during the iterative process with quadratic convergence rate of the global iteration process.
Underground construction such as tunneling can induce damages on the surrounding rock mass, due to the stress concentration of in situ stresses and excessive energy input during construction sequence, such as blasting. The developed damage on the rock mass can have substantial influence on the mechanical and hydraulic behaviors of the rock masses around a tunnel. In this study, investigation on the generation of damage around an opening in a jointed rock model under biaxial compression condition was conducted. The joint dip angles employed are 30, 45, and 60 degrees to the horizontal, and the synthetic rock mass was made using early strength cement and water. From the biaxial compression test, initiation and propagation of tensile cracks at norm to the joint angle were found. The propagated tensile cracks eventually developed rock blocks, which were dislodged from the rock mass. Furthermore, the propagation process of the tensile cracks varies with joint angle: lower joint angle model shows more stable and progressive tensile crack propagation. The development of the tensile crack can be explained under the hypothesis that the rock segment encompassed by the joint set is subjected to the developing moment, which can be induced by the geometric irregularity around the opening in the rock model. The experiment results were simulated by using discrete element method PFC 2D. From the simulation, as has been observed from the test, a rock mass with lower joint angle produces wider damage region and rock block by tensile cracks. In addition, a rock model with lower joint angle shows progressive tensile cracks generation around the opening from the investigation of the interacted tensile cracks.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.36
no.2
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pp.93-103
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2023
Warships widely spread numerous chaffs using a blast, which form chaff clouds that create false radar cross-sections to deceive enemy radars. In this study, we established a numerical framework based on a one-way coupling of computational fluid dynamics and discrete element method to simulate the spatiotemporal distribution of chaff clouds for warships in the air. Using the framework, we investigated the effects of wind, initial chaff cartridge angle, and blast pressure on the distribution of chaff clouds. We observed three phases for the chaff cloud diffusion: radial diffusion by the explosion, omnidirectional diffusion by turbulence and collision, and gravity-induced diffusion by the difference in the fall speed. The wind moved the average position of the chaff clouds, and the diffusion due to drag force did not occur. The direction of radial diffusion by the explosion depended on the initial angle of the cartridge, and a more vertical angle led to a wider distribution of the chaffs. As the blast pressure increased, the chaff clouds spread out more widely, but the distribution difference in the direction of gravity was not significant.
This study, it was tried to evaluate the asphalt behavior under tensile loading conditions through indirect Brazilian and direct tensile tests, experimentally and numerically. This paper is important from two points of view. The first one, a new test method was developed for the determination of the direct tensile strength of asphalt and its difference was obtained from the indirect test method. The second one, the effects of particle size and loading rate have been cleared on the tensile fracture mechanism. The experimental direct tensile strength of the asphalt specimens was measured in the laboratory using the compression-to-tensile load converting (CTLC) device. Some special types of asphalt specimens were prepared in the form of slabs with a central hole. The CTLC device is then equipped with this specimen and placed in the universal testing machine. Then, the direct tensile strength of asphalt specimens with different sizes of ingredients can be measured at different loading rates in the laboratory. The particle flow code (PFC) was used to numerically simulate the direct tensile strength test of asphalt samples. This numerical modeling technique is based on the versatile discrete element method (DEM). Three different particle diameters were chosen and were tested under three different loading rates. The results show that when the loading rate was 0.016 mm/sec, two tensile cracks were initiated from the left and right of the hole and propagated perpendicular to the loading axis till coalescence to the model boundary. When the loading rate was 0.032 mm/sec, two tensile cracks were initiated from the left and right of the hole and propagated perpendicular to the loading axis. The branching occurs in these cracks. This shows that the crack propagation is under quasi-static conditions. When the loading rate was 0.064 mm/sec, mixed tensile and shear cracks were initiated below the loading walls and branching occurred in these cracks. This shows that the crack propagation is under dynamic conditions. The loading rate increases and the tensile strength increases. Because all defects mobilized under a low loading rate and this led to decreasing the tensile strength. The experimental results for the direct tensile strengths of asphalt specimens of different ingredients were in good accordance with their corresponding results approximated by DEM software.
Zuoyi Zhang;Quan Zou;Nan Gui;Bing Xia;Zhiyong Liu;Xingtuan Yang
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.9
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pp.3835-3850
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2024
The high-temperature gas-cooled reactor (HTGR) with spherical fuel elements contains complex pebble flow. The flow behavior of pebbles is influenced by various factors, such as pebble density, friction coefficient, wall structure, and discharge port size. Using a GPU-DEM numerical model, the effects of the friction coefficient on the cyclic loading and unloading of pebbles in the full-scale HTR-PM are studied. Numerical simulations with up to 420,000 spherical pebbles are conducted. Four sets of friction coefficient values are determined for comparative analysis based on experimental measurements. Discharging speed, residence time, stress, porosity, and velocity distribution are quantitatively analyzed. In addition, a comparison with the CT-PFD experiment is carried out to validate the numerical model. The results show that near-wall retention phenomena are observed in the reactor core only when using large friction coefficients. However, using friction coefficient values closer to the measured experimental values, the pebble bed in HTR-PM exhibited good flow characteristics. Furthermore, the friction coefficient also influences the porosity and velocity distribution of the pebble bed, with lower friction coefficients resulting in lower overall stress in the bed. The discharge outlet's influence varies with different friction coefficient values. In summary, this study demonstrates that the value of the friction coefficient has a complex influence on the pebble flow in HTR-PM, which provides important insights for future numerical and experimental studies in this field.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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