The concept of performance based seismic design has been gradually accepted by the earthquake engineering profession recently, in which the cost-effectiveness criterion is one of the most important principles and more attention is paid to the structural performance at the inelastic stage. Since there are many uncertainties in seismic design, reliability analysis is a major task in performance based seismic design. However, structural reliability analysis may be very costly and time consuming because the limit state function is usually a highly nonlinear implicit function with respect to the basic design variables, especially for the complex large-scale structures for dynamic and nonlinear analysis. Understanding statistical properties of the structural inelastic deformation, which is the aim of the present paper, is helpful to develop an efficient approximate approach of reliability analysis. The present paper studies the statistical properties of the maximum elastoplastic story drift of steel frames subjected to earthquake load. The randomness of earthquake load, dead load, live load, steel elastic modulus, yield strength and structural member dimensions are considered. Possible probability distributions for the maximum story are evaluated using K-S test. The results show that the choice of the probability distribution for the maximum elastoplastic story drift of steel frames is related to the mean value of the maximum elastoplastic story drift. When the mean drift is small (less than 0.3%), an extreme value type I distribution is the best choice. However, for large drifts (more than 0.35%), an extreme value type II distribution is best.
A small strain and elastoplastic formulation of Polygonal Element Method (PEM) is developed for efficient analysis of elastoplastic solids. In this work, the polygonal elements are constructed based on traditional triangular finite meshes. The construction method of polygonal mesh can directly utilize the sophisticated triangularization algorithm and reduce the difficulty in generating polygonal elements. The Wachspress rational finite element basis function is used to construct the approximations of polygonal elements. The incremental variational form and a von Mises type model are used for non-linear elastoplastic analysis. Several small strain elastoplastic numerical examples are presented to verify the advantages and the accuracy of the numerical formulation.
This paper presents an elastoplastic analysis for spent nuclear fuel disposal container and its 50 cm thick bentonite buffer to predict the collapse of the container while the horizontal asymmetric sudden rock movement of 10 cm is applied on the composite structure. This sudden rock movement is anticipated by the earthquake etc. at a deep underground. Elastoplastic material model is adopted. Drucker-Prager yield criterion is used for the material yield prediction of the bentonite buffer and von-Mises yield criterion is used for the material yield prediction of the container. Analysis results show that even though very large deformations occur beyond the yield point in the bentonite buffer, the container structure still endures elastic small strains and stresses below the yield strength. Hence, the asymmetric 50 cm thick bentonite buffer can protect the container safely against the 10 cm sudden rock movement by earthquake etc.. Analysis results also show that bending deformations occur in the container structure due to the shear deformation of the bentonite buffer. The finite element analysis code, NISA, is used for the analysis.
With the continuous increase of computational capacity, more and more complex nonlinear elastoplastic constitutive models were developed to study the mechanical behavior of elastoplastic materials. These constitutive models generally contain a large amount of physical and phenomenological parameters, which often require a large amount of computational costs to determine. In this paper, an inverse parameter determination method is proposed to identify the constitutive parameters of elastoplastic materials, with the consideration of both strain rate effect and temperature effect. To carry out an efficient design, a hybrid optimization algorithm that combines the genetic algorithm and the Nelder-Mead simplex algorithm is proposed and developed. The proposed inverse method was employed to determine the parameters for an elasto-viscoplastic constitutive model and Johnson-cook model, which demonstrates the capability of this method in considering strain rate and temperature effect, simultaneously. This hybrid optimization algorithm shows a better accuracy and efficiency than using a single algorithm. Finally, the predictability analysis using partial experimental data is completed to further demonstrate the feasibility of the proposed method.
If the governing differential equation arising from engineering problems is treated as an analytic, continuous and derivable function, it can be expanded by one point as a series of finite numbers. For the function to be zero for each value of its domain, the coefficients of each term of the same power must be zero. This results in a recursive relationship which, after applying the natural conditions or the boundary conditions, makes it possible to obtain the values of the derivatives of the function with acceptable accuracy. The elastoplastic analysis of an inhomogeneous thick sphere of metallic materials with linear variation of the modulus of elasticity, yield stress and Poisson's ratio as a function of radius subjected to internal pressure is presented. The Beltrami-Michell equation is established by combining equilibrium, compatibility and constitutive equations. Assuming axisymmetric conditions, the spherical coordinate parameters can be used as principal stress axes. Since there is no analytical solution, the natural boundary conditions are applied and the governing equations are solved using a proposed new method. The maximum effective stress of the von Mises yield criterion occurs at the inner surface; therefore, the negative sign of the linear yield stress gradation parameter should be considered to calculate the optimal yield pressure. The numerical examples are performed and the plots of the numerical results are presented. The validation of the numerical results is observed by modeling the elastoplastic heterogeneous thick sphere as a pressurized multilayer composite reservoir in Abaqus software. The subroutine USDFLD was additionally written to model the continuous gradation of the material.
Trinh, Thanh-Huong;Nguyen, Dinh-Kien;Gan, Buntara S.;Alexandrov, S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.58
no.3
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pp.515-532
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2016
The elastoplastic response of functionally graded material (FGM) beams resting on a nonlinear elastic foundation to an eccentric axial load is investigated by using the finite element method. The FGM is assumed to be formed from ceramic and metal phases with their volume fraction vary in the thickness direction by a power-law function. A bilinear elastoplastic behavior is assumed for the metallic phase, and the effective elastoplastic properties of the FGM are evaluated by Tamura-Tomota-Ozawa (TTO) model. Based on the classical beam theory, a nonlinear finite beam element taking the shift in the neutral axis position into account is formulated and employed in the investigation. An incremental-iterative procedure in combination with the arc-length control method is employed in computing the equilibrium paths of the beams. The validation of the formulated element is confirmed by comparing the equilibrium paths obtained by using the present element and the one available in the literature. The numerical results show that the elastoplastic post-buckling of the FGM beams is unstable, and the post-buckling strength is higher for the beams associated with a higher ceramic content. Different from homogeneous beams, yielding in the FGM beam occurs in the layer near the ceramic layer before in the layer near metal surface. A parametric study is carried out to highlight the effect of the material distribution, foundation support and eccentric ratio on the elastoplastic response of the beams.
In the current work, a series of seismic analyses of one-storey asymmetrical reinforced concrete (R/C) framed buildings is accomplished while the effect of soil deformability on the structural response is investigated. A comparison is performed between the simplified elastic behavior of R/C elements according to the structural regulations' instructions to the possible non-linear behavior of R/C elements under actual circumstances. The target of the time history analyses is the elucidation of the Soil-Structure Interaction (SSI) effect in the seismic behavior of common R/C structures by examining the possible elastic or elastoplastic behavior of R/C sections because of the redistribution of the internal forces by employing a realistic damage index. The conclusions acquired from the presented elastic and elastoplastic analyses supply practical guidelines towards the safer design of structures.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.1
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pp.1-6
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2017
This paper presents development of the nine-node co-rotational(CR) planar element applicable for elastoplastic and contact analysis. The CR formulation is one of the efficient geometrically nonlinear formulations. It is based on the assumptions of small strain and large displacement. Further, it is extended to both elastoplastic analysis and contact analysis in this paper. For accurate plastic analysis, nine-node quadrilateral element, which can provide accurate stress prediction, is chosen. Bi-linear hardening rule based on Newton- Raphson return-mapping is employed. Also, Lagrange multiplier is used in order for constraints regarding the contact analysis. The present development is validated via the time transient problems. The present results are compared with those obtained by the other existing software.
The thermal contact resistance(TCR) of nanosized contact spots has been investigated through a multiscale analysis which considers the resolution of surface topography. A numerical simulation is performed on the finite element model of rough surfaces. Especially, as the contact size decreases below the phonon mean free path, the size dependent thermal conductivity is considered to calculate the TCR. In our earlier model which follows an elastic material, the TCR increases without limits as the number of nanosized contact spots increases in the process of scale variation. However, the elastoplastic contact induces a finite limit of TCR as the scale varies. The results are explained through the plastic behavior of the two contacting models. Furthermore, the effect of air conduction in nanoscale is also investigated.
This study conducts numerical modeling and eigen-analysis of a rod-fastened rotor, which is mainly used in aircraft gas turbine engines in which multiple disks are in contact through curvic coupling. Nayak's theory is adopted to calculate surface parameters measured from the tooth profile of the curvic coupling gear. Surface parameters are important design parameters for predicting the stiffness between contact surfaces. Based on the calculated surface parameters, elastoplastic contact analysis is performed according to the interference between two surfaces based on the Greenwood-Williamson model. The equivalent bending stiffness is predicted based on the shape and elastoplastic contact stiffness of the curvic coupling. An equation of motion of the rod-fastened rotor, including the bending stiffness of the curvic coupling, is developed. Methods for applying the bending stiffness of a curvic coupling to the equation of motion and for modeling the equation of motion of a rotor that includes both inner and outer rotors are introduced. Rotordynamic analysis is performed through one-dimensional finite element analysis, and each element is modeled based on Timoshenko beam theory. Changes in bending stiffness and the resultant critical speed change in accordance with the rod fastening force are predicted, and the corresponding mode shapes are analyzed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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