Most of mechanical failures are caused by repeated loadings and therefore they are strongly related to fatigue. To avoid the failures caused by fatigue, determination of an optimal shape of a structure is one of the very important factors in the initial design stage. Shape optimization fer two types of specimens, which are very typical ones in opening mode in fracture mechanics, was accomplished by the linear elastic fracture mechanics and the growth-strain method in this study. Also shape optimization for a cantilever beam in mixed mode was carried out by the same techniques. The linear elastic fracture mechanics was used to estimate stress intensity factors and fatigue lives. And the growth-strain method was used to optimize the shape of the initial shape of the specimens. From the results of the shape optimization, it was found that shapes of two types of specimens and a cantilever beam optimized by the growth-strain method prolong their fatigue lives significantly. Therefore, it was verified that the growth-strain method is an appropriate technique for shape optimization of a structure having a crack.
Analytical investigations were performed of a longitudinal crack representing a cylindrical surface in circular shafts loaded in torsion with taking into account the non-linear material behavior. Both functionally graded and multilayered shafts were analyzed. It was assumed that the material is functionally graded in radial direction. The mechanical behavior of shafts was modeled by using non-linear constitutive relations between the shear stresses and shear strains. The fracture was studied in terms of the strain energy release rate. Within the framework of small strain approach, the strain energy release rate was derived in a function of the torsion moments in the cross-sections ahead and behind the crack front. The analytical approach developed was applied to study the fracture in a clamped circular shaft. In order to verify the solution derived, the strain energy release rate was determined also by considering the shaft complimentary strain energy. The effects were evaluated of material properties, crack location and material non-linearity on the fracture behavior. The results obtained can be applied for optimization of the shafts structure with respect to the fracture performance. It was shown that the approach developed in the present paper is very useful for studying the longitudinal fracture in circular shafts in torsion with considering the material non-linearity.
Shariati, Ali;Barati, Mohammad Reza;Ebrahimi, Farzad;Singhal, Abhinav;Toghroli, Ali
Advances in nano research
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제8권4호
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pp.265-276
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2020
A study that primarily focuses on nonlocal strain gradient plate model for the sole purpose of vibration examination, for graphene sheets under linearly variable in-plane mechanical loads. To study a better or more precise examination on graphene sheets, a new advance model was conducted which carries two scale parameters that happen to be related to the nonlocal as well as the strain gradient influences. Through the usage of two-variable shear deformation plate approach, that does not require the inclusion of shear correction factors, the graphene sheet is designed. Based on Hamilton's principle, fundamental expressions in regard to a nonlocal strain gradient graphene sheet on elastic half-space is originated. A Galerkin's technique is applied to resolve the fundamental expressions for distinct boundary conditions. Influence of distinct factors which can be in-plane loading, length scale parameter, load factor, elastic foundation, boundary conditions, and nonlocal parameter on vibration properties of the graphene sheets then undergo investigation.
The mechanical behavior of granular soils is affected by particle bonding including natural cementation. This study addresses a simple model of small strain stiffness and salt concentration based on wave measurements of salt-cemented particulate media. Published models of artificially cemented soils with different curing methods and several types of cementation agents are reviewed. Glass beads with the median diameter of D50 = 0.5mm are prepared in rectangular cells using the water-pluviated method in salt water with different concentrations. Piezo disk elements and bender elements embedded in the cell are used for the measurements of compressional and shear waves. The relationships between elastic wave velocities and salt concentration show an exponential function. The measured small strain stiffness matches well the predicted small strain stiffness based on micromechanics for simple cubic monosized sphere particles. This study demonstrates that the salt concentration in salt-cemented specimen may be evaluated by using elastic wave velocities.
The following composition establishes a nonlocal strain gradient plate model that is essentially related to mass sensors laying on Winkler-Pasternak medium for the vibrational analysis from graphene sheets. To achieve a seemingly accurate study of graphene sheets, the posited theorem actually accommodates two parameters of scale in relation to the gradient of the strain as well as non-local results. Model graphene sheets are known to have double variant shear deformation plate theory without factors from shear correction. By using the principle of Hamilton, to acquire the governing equations of a non-local strain gradient graphene layer on an elastic substrate, Galerkin's method is therefore used to explicate the equations that govern various partition conditions. The influence of diverse factors like the magnetic field as well as the elastic foundation on graphene sheet's vibration characteristics, the number of nanoparticles, nonlocal parameter, nanoparticle mass as well as the length scale parameter had been evaluated.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제9권1호
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pp.1-20
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2015
This work is devoted to the study of fresh and hardened properties of concrete containing recycled gravel. Four formulations were studied, the concrete of reference and three concretes containing recycled gravel with 30, 65 and 100 % replacement ratios. All materials were formulated on the basis of S4 class of flowability and a target C35 class of compressive strength according to the standard EN 206-1. The paper first presents the mix design method which was based on the optimization of cementitious paste and granular skeleton, then discusses experimental results. The results show that the elastic modulus and the tensile strength decrease while the peak strain in compression increases. Correlation with the water porosity is also established. The validity of analytical expressions proposed by Eurocode 2 is also discussed. The obtained results, together with results from the literature, show that these relationships do not predict adequately the mechanical properties as well as the stress-strain curve of tested materials. New expressions were established to predict the elastic modulus and the peak strain from the compressive strength of natural concrete. It was found that the proposed relationship E-$f_c$ is applicable for any type of concrete while the effect of substitution has to be introduced into the stress-strain (${\varepsilon}_{c1}-f_c$) relationship for recycled aggregate concrete. For the full stress-strain curve, the model of Carreira and Chu seems more adequate.
Overlay model had several advantages to describe hysteretic behavior of material and showed good capability for many engineering materials. However, this model is only applicable to material obeying Masing postulate. Some materials such as 316L stainless steel do not follow Masing postulate and show cyclic hardening(or softening) and strain range dependence. Low cycle fatigue tests of 316L stainless steel at 600$^{\circ}C$ were performed to investigate the characteristics of cyclic behavior of non-Masing material. From all tests cyclic softening was observed. There were differences in elastic limit of hysteresis loop according to applied strain range. To consider these features, modified overlay model was developed. Yield stresses of subelements were divided into isotropic and anisotropic part to describe the non-Masing behavior. The plastic strain range memorization was introduced to consider the strain range dependence. The prediction using modified overlay model showed a good accordance to actual hysteresis loops.
With an active structural involvement in spiral case structure (SCS) that is always the design and research focus of hydroelectric power plant (HPP), the compressible membrane sandwiched between steel spiral case and surrounding reinforced concrete was often assumed to be linear elastic material in conventional design analysis of SCS. Unfortunately considerable previous studies have proved that the foam material serving as membrane exhibits essentially nonlinear mechanical behavior. In order to clarify the effect of membrane (foam) material's nonlinear stress-strain behavior on SCS, this work performed a case study on SCS with a compressible membrane using the ABAQUS code after a sound calibration of the employed constitutive model describing foam material. In view of the successful capture of fitted stress-strain curve of test by the FEM program, we recommend an application and dissemination of the simulation technique employed in this work for membrane material description to structural designers of SCS. Even more important, the case study argues that taking into account the nonlinear stress-strain response of membrane material in loading process is definitely essential. However, we hold it unnecessary to consider the membrane material's hysteresis and additionally, employment of nonlinear elastic model for membrane material description is adequate to the structural design of SCS. Understanding and accepting these concepts will help to analyze and predict the structural performance of SCS more accurately in design effort.
The distribution of stress and strain in elastic stages is investigated by the experiments of two dimensional photoelastic coating and Moire fringe method. Center block type and cover plate type of fillet welds are used as specimens in the test. The results are as follows. 1) Center block type gets less uniform stress distribution than cover plate type. And its stress concentration factor, especially at root, is larger than that at toe. 2) When main plate and cover plate closely contact and it cause friction, stress concentration decreases more than that in case of slit. That is because stress can be transmitted on the contact surface. 3) When slit is made, the outside of fillet gets more stress than the inside of it. 4) While the plastic strain distribution of center block type reaches the maximum at root and differs very slightly from that under lower loading, the plastic strain distribution of cover plate type is inclined to get the maximum at the outside of fillet rather than at root. 5) When the plastic strain value of cover plate type is compared with that of center block type at toe and root, the relations between the former and the latter shows root<toe and root>toe. 6) Because stress distribution becomes changed according to loading, fracture angle cannot be estimated by the peaks of elastic stress distribution. 7) The strain distribution just before fracture can be found by Moire fringe method.
In the present work, the evolution rules for the internal variables including continuum damage factors are obtained using the thermodynamic framework, which are in turn facilitated to derive the elastic-plastic constitutive relation for the particulate composites. Using the Mori-Tanaka scheme, the homogenization on state and internal variables such as back-stress and damage factors is carried out to procure the rate independent plasticity relations. Moreover, the degradation of mechanical properties of constituents is depicted by the distinctive damages such that the phase and interfacial damages are treated individually accordingly, whereas the kinematic hardening is depicted by combining the Armstrong-Frederick and Phillips' back-stress evolutions. On the other hand, the present constitutive relation for each phase is expressed in terms of the respective damage-free effective quantities, then, followed by transformation into the damage affected overall nominal relations using the aforementioned homogenization concentration factors. An emphasis is placed on the qualitative analyses for strain localization by observing the perturbation growth instead of the conventional bifurcation analyses. It turns out that the proposed constitutive model offers a wide range of strain localization behavior depending on the evolution of various internal variable descriptions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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