The ultimate bearing capacity of surface foundations on a sand layer overlying clay has been theoretically investigated. First, a review of previous studies on the bearing capacity problems for this type of foundation was performed and a discussion was presented concerning the practical application. Second, the kinematic approach of limit analysis was used to calculate the upper bound of the true ultimate bearing capacity. The kinematic solutions are upper bounds and their accuracy depends primarily on the nature of the assumed failure mechanism. This approach makes it convenient to create design charts, and it is possible to trace the influence of parameters. Third, the commercial finite element program ABAQUS was applied to obtain the ultimate bearing capacity based on the elasto-plastic theory. Results obtained from the kinematic approach were compared with those from the program ABAQUS and the limit equilibrium equations proposed by Yamaguchi, Meyerhof and Okamura et al. Finally, the validities of the results from the kinematic approach, the results from the program ABAQUS and the limit equilibrium equations were examined.
This paper provides a semi-analytical approach to investigate the variations of 3D displacement components, electric potential, stresses, electric displacements and transverse vibration frequencies in laminated piezoelectric composite plates based on the scaled boundary finite element method (SBFEM) and the precise integration algorithm (PIA). The proposed approach can analyze the static and dynamic responses of multilayered piezoelectric plates with any number of laminae, various geometrical shapes, boundary conditions, thickness-to-length ratios and stacking sequences. Only a longitudinal surface of the plate is discretized into 2D elements, which helps to improve the computational efficiency. Comparing with plate theories and other numerical methods, only three displacement components and the electric potential are set as the basic unknown variables and can be represented analytically through the transverse direction. The whole derivation is built upon the three dimensional key equations of elasticity for the piezoelectric materials and no assumptions on the plate kinematics have been taken. By virtue of the equilibrium equations, the constitutive relations and the introduced set of scaled boundary coordinates, three-dimensional governing partial differential equations are converted into the second order ordinary differential matrix equation. Furthermore, aided by the introduced internal nodal force, a first order ordinary differential equation is obtained with its general solution in the form of a matrix exponent. To further improve the accuracy of the matrix exponent in the SBFEM, the PIA is employed to make sure any desired accuracy of the mechanical and electric variables. By virtue of the kinetic energy technique, the global mass matrix of the composite plates constituted by piezoelectric laminae is constructed for the first time based on the SBFEM. Finally, comparisons with the exact solutions and available results are made to confirm the accuracy and effectiveness of the developed methodology. What's more, the effect of boundary conditions, thickness-to-length ratios and stacking sequences of laminae on the distributions of natural frequencies, mechanical and electric fields in laminated piezoelectric composite plates is evaluated.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.22
no.1
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pp.21-30
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1985
This paper deals whth the buckling as well as postbuckling analysis of axisymmertric shells taking the initial deflection effects into account. Incremental equilibrium equations, based on the principle of virtual work, were derived by the finite element method, the successive step-by-step Newton-Raphson iterative technique was adopted. To define the transition pattern of postbuckling behavior from the prebuckling state more accurately, a simple solution method was developed, i.e. the critical load was calculated by the load extrapolation method with the determinant of tangent stiffness matrix and the equilibrium configuration in the immediate postbuckling stage was obtained by perturbation scheme and eigenvalue analysis. Degenerated isoparametric shell elements were used to analyse the axisymmetric shell of revolution. And by the method developed in this paper, the computer program applicable to the nonlinear analysis of both thin and moderately thick shells was constructed. To verify the capabilities and accuracies of the present solution method, the computed results were compared with the results of analytical solutions. These results coincided fairly well in both the small deflection and large deflection ranges. Various numerical analyses were done to show the effect of initial deflection and shape of shells on buckling load and postbuckling behavior. Futhermore, corrected directions of applied loads at every increment steps were used to determine the actual effects of large deflection in non-conservative load systems such as hydrostatic pressure load. The following conclusions can be obtained. (1) The method described in this paper was found to be both economic and effective in calculating buckling load and postbuckling behavior of shell structure. (2) Buckling and postbuckling behavior of spherical caps is critically dependent upon their geometric configuration, i.e. the shape of spherical cap and quantities of the initial deflection. (3) In the analysis of large deflection problems of shells by the incremental method, corrections of the applied load directions are needed at every incremental step to compensate the follower force effects.
This paper presents a new, effective torsional constant for thin-waled open beams under concentrated and uniformly distributed torques. The proposed constant can be used directly, instead of the St. Venant torsional constant, for any generic comemrcial finite-element program, without modifying the algorithm. The derived torsional constant accounts for both the pure torsion and the warping torsion, and is equal to the St. Venant torsion constant times a correction factor. It is also shown, in the case of the St. Venant torsion, that the derived constant is identical to the torsional constant. The derived effective torsional constant is different from the one given by Elhelbawey et al. The pure torsional shear stress, the warping shear stress, and the warping normal stress were also determine d, using the maximum twisting angle. The accuracy of the proposed torsional constant was validated by comparing the numerical results with the closed-form solutions or other numerical results available in the literature.
The ultrasonic guided wave-based technique has become one of the most promising methods in non-destructive evaluation and structural health monitoring, because of its advantages of large area inspection, evaluating inaccessible areas on the structure and high sensitivity to small damage. To further advance the development of damage detection technologies using ultrasonic guided waves for the inspection of welded components in structures, the transmission characteristics of the ultrasonic guided waves propagating through welded joints with various types of defects or damage in steel plates are studied and presented in this paper. A three-dimensional (3D) finite element (FE) model considering the different material properties of the mild steel, high strength steel and austenitic stainless steel plates and their corresponding welded joints as well as the interaction condition of the steel plate and welded joint, is developed. The FE model is validated against analytical solutions and experimental results reported in the literature and is demonstrated to be capable of providing a reliable prediction on the features of ultrasonic guided wave propagating through steel plates with welded joints and interacting with defects. Mode conversion and scattering analysis of guided waves transmitted through the different types of weld defects in steel plates are performed by using the validated FE model. Parametric studies are undertaken to elucidate the effects of several basic parameters for various types of weld defects on the transmission performance of guided waves. The findings of this research can provide a better understanding of the transmission behaviour of ultrasonic guided waves propagating through welded joints with defects. The method could be used for improving the performance of guided wave damage detection methods.
Niroumand, Hamed;Mehrizi, Mohammad Emad Mahmoudi;Saaly, Maryam
Geomechanics and Engineering
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v.11
no.1
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pp.1-39
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2016
The finite element method (FEM), discrete element method (DEM), and Discontinuous deformation analysis (DDA) are among the standard numerical techniques applied in computational geo-mechanics. However, in some cases there no possibility for modelling by traditional finite analytical techniques or other mesh-based techniques. The solution presented in the current study as a completely Lagrangian and mesh-free technique is smoothed particle hydrodynamics (SPH). This method was basically applied for simulation of fluid flow by dividing the fluid into several particles. However, several researchers attempted to simulate soil-water interaction, landslides, and failure of soil by SPH method. In fact, this method is able to deal with behavior and interaction of different states of materials (liquid and solid) and multiphase soil models and their large deformations. Soil indicates different behaviors when interacting with water, structure, instrumentations, or different layers. Thus, study into these interactions using the mesh based grids has been facilitated by mesh-less SPH technique in this work. It has been revealed that the fast development, computational sophistication, and emerge of mesh-less particle modeling techniques offer solutions for problems which are not modeled by the traditional mesh-based techniques. Also it has been found that the smoothed particle hydrodynamic provides advanced techniques for simulation of soil materials as compared to the current traditional numerical methods. Besides, findings indicate that the advantages of applying this method are its high power, simplicity of concept, relative simplicity in combination of modern physics, and particularly its potential in study of large deformations and failures.
An approach using complex potentials is presented for analysis of composite plate with an elliptical hole or a rectilinear crack. Composite structure is susceptible to encounter impact damages, which lead to considerable decrease in its residual strength. Such impact damages could be modeled as an equivalent elliptical hole or notch-like crack. Even though finite element method is widely used to analyze stresses or fracture mechanics parameters around such damage, it is tedious to make successive FE-modeling for damage tolerance assessment under fatigue loadings. In this point of view, the solutions based on complex potentials are very simple and easy to use. The computed results are also compared and discussed with those from FEA.
Ecren Uzun Yaylaci;Mehmet Emin Ozdemir;Yilmaz Guvercin;Sevval Ozturk;Murat Yaylaci
Advances in nano research
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v.15
no.6
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pp.567-577
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2023
The killing of bacteria by mechanical forces on nanopatterned surfaces has been defined as a mechano-bactericidal effect. Inspired by nature, this method is a new-generation technology that does not cause toxic effects and antibiotic resistance. This study aimed to simulate the mechano-bactericidal effect of nanopatterned surfaces' geometric parameters and material properties against three implant-derived bacterial species. Here, in silico models were developed to explain the interactions between the bacterial cell and the nanopatterned surface. Numerical solutions were performed based on the finite element method. Elastic and creep deformation models of bacterial cells were created. Maximum deformation, maximum stress, maximum strain, as well as mortality of the cells were calculated. The results showed that increasing the peak sharpness and decreasing the width of the nanopatterns increased the maximum deformation, stress, and strain in the walls of the three bacterial cells. The increase in spacing between nanopatterns increased the maximum deformation, stress, and strain in E. coli and P. aeruginosa cell walls it decreased in S. aureus. The decrease in width with the increase in sharpness and spacing increased the mortality of E. coli and P. aeruginosa cells, the same values did not cause mortality in S. aureus cells. In addition, it was determined that using different materials for nanopatterns did not cause a significant change in stress, strain, and deformation. This study will accelerate and promote the production of more efficient mechano-bactericidal implant surfaces by modeling the geometric structures and material properties of nanopatterned surfaces together.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.4
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pp.1-13
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2003
For spatial free vibration of non-symmetric thin-walled curved beams with shear deformation, an improved formulation is proposed in the present study. The elastic strain and the kinetic energies are first derived by considering constant curvature and shear deformation effects due to shear forces and restrained warping torsion. Next equilibrium equations and force-deformation relations are obtained using a stationary condition of total potential energy. And the finite element procedures are developed by using isoparametric curved beam element with arbitray thin-walled sections. Particularly not only shear deformation and thickness-curvature effects on vibration behaviors of curved beams but also mode transition and crossover phenomena with change in curvatures of beams are parametrically investigated. In order to illustrate the accuracy and the reliability of this study, various numerical solutions for spatial free vibration are compared with results by available references and ABAQUS's shell element.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.3
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pp.183-190
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2019
This paper introduces a near-tip grid refinement and explores its usefulness in the crack analysis by the natural element method(NEM). As a sort of local h-refinement in finite element method(FEM), a NEM grid is locally refined around the crack tip showing high stress singularity. This local grid refinement is completed in two steps in which grid points are added and Delaunay triangles sharing the crack tip node are divided. A plane strain rectangular plate with symmetric edge cracks is simulated to validate the proposed local grid refinement and to examine its usefulness in the crack analysis. The crack analysis is also simulated using a uniform NEM grid for comparison. Unlike the uniform grid, the refined grid provides near-tip stress distributions similar to the analytic solutions and the fine grid. In addition, the refined grid shows higher convergence than the uniform grid, the global relative error to the total number of grid points.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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