Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.32
no.8
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pp.642-653
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2008
In this paper, we propose a 3-D finite element (FE) analysis model with combined physical behavior and kinematical impact factors for evaluation of residual stress in multi-impact shot peening. The FE model considers both physical behavior of material and characteristics of kinematical impact. The physical parameters include elastic-plastic FE modeling of shot ball, material damping coefficient, dynamic friction coefficient. The kinematical parameters include impact velocity and diameter of shot ball. Multi-impact FE model consists of 3-D symmetry-cell. We can describe a certain repeated area of peened specimen under equibiaxial residual stress by the cell. With the cell model, we investigate the FE peening coverage, dependency on the impact sequence, effect of repeated cycle. The proposed FE model provides converged and unique solution of surface stress, maximum compressive residual stress and deformation depth at four impact positions. Further, in contrast to the rigid and elastic shots, plastically deformable shot produces residual stresses closer to experimental solutions by X-ray diffraction. Consequently, it is confirmed that the FE model with peening factors and plastic shot is valid for multi-shot peening analyses.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.63
no.3
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pp.349-357
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2014
The performance of a Synchronous Reluctance Motor (SynRM) in terms of torque and power factor depends on the two-axis inductances $L_d$ and $L_q$ of the machine. The Axially Laminated Anisotropic (ALA) rotor should be proposed in an effort to increase the $L_d/L_q$ ratio and the $L_d-L_q$ difference to secure high torque density and high power factor. So, ALA rotor is suitable for high speed instruments. This paper deals with optimum design of Axially Laminated Anisotropic Synchronous Reluctance Motor (ALA-SynRM) and comparison of characteristics with induction motor. Coupled Finite Element Methodology (FEM) & Response Surface Methodology (RSM) have been used to evaluate optimum design solutions. Comparisons are given with characteristics of a same rated wattage induction motor and those of ALA-SynRM respectively.
Elliptical tubes may buckle in an elastic local buckling failure mode under uniform compression. Previous analyses of the local buckling of these members have assumed that the cross-section is hollow, but it is well-known that the local buckling capacity of thin-walled closed sections may be increased by filling them with a rigid medium such as concrete. In many applications, the medium many not necessarily be rigid, and the infill can be considered to be an elastic material which interacts with the buckling of the elliptical tube that surrounds it. This paper uses an energy-based technique to model the buckling of a thin-walled elliptical tube containing an elastic infill, which elucidates the physics of the buckling phenomenon from an engineering mechanics basis, in deference to a less generic finite element approach to the buckling problem. It makes use of the observation that the local buckling in an elliptical tube is localised with respect to the contour of the ellipse in its cross-section, with the localisation being at the region of lowest curvature. The formulation in the paper is algebraic and it leads to solutions that can be determined by implementing simple numerical solution techniques. A further extension of this formulation to a stiffness approach with multiple degrees of buckling freedom is described, and it is shown that using the simple one degree of freedom representation is sufficiently accurate for determining the elastic local buckling coefficient.
Shape Memory Polymer Composites (SMPC) have gained popularity over the last few decades due to its flexible shape memory behaviour over wide range of strains and temperatures. In this paper, non-linear bending analysis has been carried out for SMPC beam under the application of uniformly distributed transverse load (UDL). Simplified C0 continuity Finite Element Method (FEM) based on Higher Order Shear Deformation Theory (HSDT) has been adopted for flexural analysis of SMPC. The numerical solutions are obtained by iterative Newton Raphson method. Material properties of SMPC with Shape Memory Polymer (SMP) as matrix and carbon fibre as reinforcements, have been calculated by theory of volume averaging. Effect of temperature on SMPC has been evaluated for numerous parameters for instance number of layers, aspect ratio, boundary conditions, volume fraction of carbon fiber and laminate stacking orientation. Moreover, deflection profile over unit length and behavior of stresses across thickness are also presented to elaborate the effect of glass transition temperature (Tg). Present study provides detailed explanation on effect of different parameters on the bending of SMPC beam for large strain over a broad span of temperature from 273-373K, which encompasses glass transition region of SMPC.
Polymer matrix composites are widely used in many engineering applications as they can be customized to meet a desired performance while not only maintaining low cost but also reducing weight. Polymers can experience viscoelastic-viscoplastic response when subjected to external loadings. Various reinforcements and fillers are added to polymers which bring out more complexity in analyzing the timedependent response. This study formulates an integrated micromechanical model and finite element (FE) analysis for predicting effective viscoelastic-viscoplastic response of polymer based hybrid composites. The studied hybrid system consists of unidirectional short-fiber reinforcements and a matrix system which is composed of solid spherical particle fillers dispersed in a homogeneous polymer constituent. The goal is to predict effective performance of hybrid systems having different compositions and properties of the fiber, particle, and matrix constituents. A combined Schapery's viscoelastic integral model and Valanis's endochronic viscoplastic model is used for the polymer constituent. The particle and fiber constituents are assumed linear elastic. A previously developed micromechanical model of particle reinforced composite is first used to obtain effective mechanical properties of the matrix systems. The effective properties of the matrix are then integrated to a unit-cell model of short-fiber reinforced composites, which is generated using the FE. The effective properties of the matrix are implemented using a user material subroutine in the FE framework. Limited experimental data and analytical solutions available in the literatures are used for comparisons.
Applications of membrane mechanisms are widely found in nano-devices and nano-sensor technologies nowadays. An alternative approach for large deflection analysis of the orthotropic, elliptic membranes - subject to gravitational, uniform pressures often found in nano-sensors - is described in this paper. The material properties of membranes are assumed to be orthogonally isotropic and linearly elastic, while the principal directions of elasticity are parallel to the coordinate axes. Formulating the potential energy functional of the orthotropic, elliptic membranes involves the strain energy that is attributed to inplane stress resultant and the potential energy due to applied pressures. In the solution method, Rayleigh-Ritz method can be used successfully to minimize the resulting total potential energy generated. The set of equilibrium equations was solved subsequently by Newton-Raphson. The unparalleled model formulation capable of analyzing the large deflections of both circular and elliptic membranes is verified by making numerical comparisons with existing results of circular membranes as well as finite element solutions. The results are found in excellent agreements at all cases. Then, the parametric investigations are given to delineate the impacts of the aspect ratios and orthotropic elasticity on large static tensions and deformations of the orthotropic, elliptic membranes.
Bi-stable structure can be stable in both its extended and coiled forms. For the un-stressed thin cylindrical shell, the strain energy expressions are deduced by using a theoretical model in terms of only two parameters. Based on the principle of minimum potential energy, the bi-stable behaviors of the cylindrical shells are investigated. The results indicate that the isotropic cylindrical shell does not have the second stable configuration and laminated cylindrical shells with symmetric or antisymmetric layup of fibers have the second stable state under some confined conditions. In the case of antisymmetric laminated cylindrical shell, the analytical expressions of the stability are derived based on the extremal principle, and the shell can achieve a compact coiled configuration without twist deformation in its second stable state. In the case of symmetric laminated cylindrical shell, the explicit solutions for the stability conditions cannot be deduced. Numerical results show that stable configuration of symmetric shell is difficult to achieve and symmetric shell has twist deformation in its second stable form. In addition, the roll-up radii of the antisymmetric laminated cylindrical shells are calculated using the finite element package ABAQUS. The results show that the value of the roll-up radii is larger from FE simulation than from theoretical analysis. By and large, the predicted roll-up radii of the cylindrical shells using ABAQUS agree well with the theoretical results.
Fiber Reinforced Elastomeric Bearings (FREBs) are a relatively new type of laminated bearings that can be used as seismic/vibration isolators or bridge bearings. In an unbonded (U)-FREB, the bearing is placed between the top and bottom supports with no bonding or fastening provided at its contact surfaces. Under shear loads the top and bottom faces of a U-FREB roll off the contact supports and the bearing exhibits rollover deformation. As a result of rollover deformation, the horizontal response characteristics of U-FREBs are significantly different than conventional elastomeric bearings that are employed in bonded application. Current literature lacks an efficient analytical horizontal stiffness solution for this type of bearings. This paper presents two simplified analytical models for horizontal stiffness evaluation of U-FREBs. Both models assume that the resistance to shear loads is only provided by an effective region of the bearing that sustains significant shear strains. The presented models are different in the way they relate this effective region to the horizontal bearing displacements. In comparison with experimental results and finite element analyses, the analytical models that are presented in this paper are found to be sufficiently accurate to be used in the preliminary design of U-FREBs.
Zhang, Zhi-Chao;Liu, Han-Long;Pak, Ronald Y.S.;Chen, Yu-Min
Geomechanics and Engineering
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v.7
no.6
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pp.613-631
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2014
To complement the method of field-scale seismic ground motion simulations by buried blast techniques, the application and evaluation of the capability of a numerical modeling platform to simulate buried explosion-induced ground motion at a real soil site is presented in this paper. Upon a layout of the experimental setup at a level site wherein multiple charges that were buried over a large-diameter circle and detonated in a planned sequence, the formulation of a numerical model of the soil and the explosives using the finite element code LS-DYNA is developed for the evaluation of the resulting ground motion and surface subsidence. With a compact elastoplastic cap model calibrated for the loess soils on the basis of the site and laboratory test program, numerical solutions are obtained by explicit time integration for various dynamic aspects and their relation with the field blast experiment. Quantitative comparison of the computed ground acceleration time histories at different locations and induced spatial subsidence on the surface afterwards is given for further engineering insights in regard to the capabilities and limitations of both the numerical and experimental approaches.
This paper presents an experimental and numerical study on the evaluation of a thermal response test using a precast high-strength concrete (PHC) energy pile and a closed vertical system with W-type ground heat exchangers (GHEs). Field thermal response tests (TRTs) were conducted on a PHC energy pile and on a general vertical GHE installed in a multiple layered soil ground. The equivalent ground thermal conductivity was determined by using the results from TRTs. A simple analytical solution is suggested in this research to derive an equivalent ground thermal conductivity of the multilayered soils for vertically buried GHEs. The PHC energy pile and general vertical system were numerically modeled using a three dimensional finite element method to compare the results with TRTs'. Borehole thermal resistance values were also obtained from the numerical results, and they were compared with various analytical solutions. Additionally, the effect of ground thermal conductivity on the borehole thermal resistance was analyzed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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