Dehshahri, Kasra;Nejad, Mohammad Zamani;Ziaee, Sima;Niknejad, Abbas;Hadi, Amin
Advances in nano research
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제8권2호
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pp.115-134
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2020
In this paper, the free vibrations analysis of the nanoplates made of three-directional functionally graded material (TDFGM) with small scale effects is presented. To study the small-scale effects on natural frequency, modified strain gradient theory (MSGT) has been used. Material properties of the nanoplate follow an arbitrary function that changes in three directions along the length, width and thickness of the plate. The equilibrium equations and boundary conditions of nanoplate are obtained using the Hamilton's principle. The generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations and different boundary conditions for obtaining the natural frequency of nanoplate made of three-directional functionally graded material. The present model can be transformed into a couple stress plate model or a classic plate model if two or all parameters of the length scales set to zero. Finally, numerical results are presented to study the small-scale effect and heterogeneity constants and the aspect ratio with different boundary conditions on the free vibrations of nanoplates. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into MSGT for free vibration analysis of FGM nanoplate with arbitrary functions.
This paper presents an actual microstructure-based numerical method to investigate the mechanical properties of concrete at mesoscopic level. Digital image processing technique is used to capture the concrete surface image and generate the actual 3-phase microstructure of the concrete, which consists of aggregate, matrix and interfacial transition zones. The microstructure so generated is then transformed into a mesh or grid for numerical analysis. A finite difference code FLAC2D is used for the numerical analysis to simulate the mechanical responses and failure patterns of the concrete. Several cases of concrete with different degrees of material heterogeneity and under different compression loading conditions have been analysed. From the numerical results, the effects of the internal material heterogeneities as well as the external confining stresses are studied. It is shown that the material heterogeneities arising from the presence of different phases and the existence of interfacial transition zones have great influence on the overall mechanical behaviour of concrete and that the numerically simulated behaviour of concrete with or without confining stresses applied agrees quite well with the general observations reported in the literature.
Anandrao, K. Sanjay;Gupta, R.K.;Ramchandran, P.;Rao, G. Venkateswara
Structural Engineering and Mechanics
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제36권5호
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pp.545-560
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2010
Two or more distinct materials are combined into a single functionally graded material (FGM) where the microstructural composition and properties change gradually. Thermal post-buckling behavior of uniform slender FGM beams is investigated independently using the classical Rayleigh-Ritz (RR) formulation and the versatile Finite Element Analysis (FEA) formulation developed in this paper. The von-Karman strain-displacement relations are used to account for moderately large deflections of FGM beams. Bending-extension coupling arising due to heterogeneity of material through the thickness is included. Simply supported and clamped beams with axially immovable ends are considered in the present study. Post-buckling load versus deflection curves and buckled mode shapes obtained from both the RR and FEA formulations for different volume fraction exponents show an excellent agreement with the available literature results for simply supported ends. Response of the FGM beam with clamped ends is studied for the first time and the results from both the RR and FEA formulations show a very good agreement. Though the response of the FGM beam could have been studied more accurately by FEA formulation alone, the authors aim to apply the RR formulation is to find an approximate closed form post-buckling solutions for the FGM beams. Further, the use of the RR formulation clearly demonstrates the effect of bending-extension coupling on the post-buckling response of the FGM beams.
This article presents the numerical modelling of transient heat transfer in highly heterogeneous composite materials where the thermal conductivity, specific heat and density are assumed to be directional-dependent. This article uses a coupled finite element-finite difference scheme to perform the transient heat transfer analysis of unidirectional (1D) and multidirectional (2D/3D) functionally graded composite panels. Here, 1D/2D/3D functionally graded structures are subjected to nonuniform heat source and inhomogeneous boundary conditions. Here, the multidirectional functionally graded materials are modelled by varying material properties in individual or in-combination of spatial directions. Here, fully spatial-dependent material properties are evaluated using Voigt's micromechanics scheme via multivariable power-law functions. The weak form is obtained through the Galerkin method and solved further via the element-space and time-step discretisation through the 2D-isoparametric finite element and the implicit backward finite difference schemes, respectively. The present model is verified by comparing it with the previously reported results and the commercially available finite element tool. The numerous illustrations confirm the significance of boundary conditions and material heterogeneity on the transient temperature responses of 1D/2D/3D functionally graded panels.
재료구성관계의 범위에서의 강성 성능저하의 스펙트럼 특성을 기본 유한요소법을 이용하여 개별 유한요소와 그의 조합행렬에 대한 스펙트럼 분석을 상호 비교하여 수치적인 의미를 확인하고자 한다. 본 논문의 주 관심부분은 탄성 강성특성의 저하로 인한 콘크리트 재료의 손상정도를 다양한 스펙트럼 특성인 최소고유치의 변화, 유효계수의 변화 등의 시나리오를 가지고 해의 유일성 여부, 특이성의 표현 여부 그리고 변분유계와의 근접여부 등을 관찰하였다. 1차원 및 2차원 예제가 제시되었으며 강성이 서로 다른 혼입재를 가진 2상복합체의 형식으로 콘크리트의 골재, 매트릭스를 표현하고 상호연관성 및 기하학적 영향을 고려하였다. 더불어 2차원 탄성계면요소를 이용하여 골재와 매트릭스 사이에 존재하는 약한 고리인 계면을 묘사하고 이들 계면의 탄성계수의 성능저하로 인한 전체 구조계의 영향 등을 분석, 비교하였다.
The execution of an experiment is a complex affair. It includes the preparation of test specimens, the measurement process itself and also the evaluation of the experiment as such. Financial requirements can differ significantly. In contrast, the cost of numerical simulations can be negligible, but what is the credibility of a simulated experiment? Discussions frequently arise concerning the methodology used in simulations, and particularly over the geometric model used. Simplification, rounding or the complete omission of details are frequent reasons for differences that occur between simulation results and the results of executed experiments. However, the creation of a very complex geometry, perhaps all the way down to the resolution of the very structure of the material, can be complicated. The subject of the article is therefore a means of creating the material structure of concrete contained in a test specimen. Because a complex approach is taken right from the very start of the numerical simulation, maximum agreement with experimental results can be achieved. With regard to the automation of the process described, countless material structures can be generated and randomly produced samples simulated in this way. Subsequently, a certain degree of randomness can be observed in the results obtained, e.g., the shape of the failure - just as is the case with experiments. The first part of the article presents a description of a complex approach to the creation of a geometry representing real concrete test specimens. The second part presents a practical application in which the numerical simulation of the compressive testing of concrete is executed using the generated geometry.
This paper presents results of visual analysis of cracks formation and propagation of concretes made of quaternary binders (QBC). A composition of the two most commonly used mineral additives, i.e. fly ash (FA) and silica fume (SF) in combination with nanosilica (nS), has been proposed as a partial replacement of the cement. The principal objective of the present study is to achieve information about the effect of simultaneous incorporation of three pozzolans as partial replacement to the OPC on the fracture processes in concretes made from quaternary binders (QBC). The modern and precise non-contact measurement method (NCMM) via digital image correlation (DIC) technique was used, during the studies. In the course of experiments it was established that the substitution of OPC with three pozzolans including the nanoadditive in FA+SF+nS FA+SF+nS combination causes a clear change of brittleness and behavior during fractures in QBCs. It was found that the shape of cracks in unmodified concrete was quasi-linear. Substitution of the binder by SCMs resulted in a slight heterogeneity of the structure of the QBC, including only SF and nS, and clear heterogeneity for concretes with the FA additive. In addition, as content of FA rises throughout each of QBC series, material becomes more ductile and shows less brittle failure. It means that an increase in the FA content in the concrete mix causes a significant change in fracture process in this composite in comparison to concrete with the addition of silica modifiers only.
In the current study, a rate-dependent crystal plasticity finite element method (CPFEM) was used to simulate flow stress behavior and texture evolution of a body-centered cubic (BCC) crystalline material during plastic deformation at room temperature. To account for crystallographic slip and rotation, a rate-dependent crystal constitutive law with a hardening model was incorporated into an in-house finite element program, CAMPform3D. Microstructural heterogeneity and anisotropy were handled by assigning a crystallographic orientation to each integration point of the element and determining the stiffness matrix of the individual crystal. Uniaxial tensile tests of single crystals with different crystallographic orientations were simulated to determine the material parameters in the hardening model. The texture evolution during four different deformation modes - uniaxial tension, uniaxial compression, channel die compression, and simple shear deformation - was investigated based on the comparison with experimental data available in the literature.
In this paper, the three dimensional Parallel Realistic Failure Process Analysis ($RFPA^{3D}$-Parallel) code based on micromechanical model is employed to investigate the bonding behavior in FRP sheet bonded to concrete in single shear test. In the model, the heterogeneity of brittle disordered material at a meso-scale was taken into consideration in order to realistically demonstrate the mechanical characteristics of FRP-to-concrete. Modified Mohr-coulomb strength criterion with tension cut-off, where a stressed element can damage in shear or in tension, was adopted and a stiffness degradation approach was used to simulate the initiation, propagation and growth of microcracks in the model. In addition, a Master-Slave parallel operation control technique was adopted to implement the parallel computation of a large numerical model. Parallel computational results of debonding of FRP-concrete visually reproduce the spatial and temporal debonding failure progression of microcracks in FRP sheet bonded to concrete, which agrees well with the existing testing results in laboratory. The numerical approach in this study provides a useful tool for enhancing our understanding of cracking and debonding failure process and mechanism of FRP-concrete and our ability to predict mechanical performance and reliability of these FRP sheet bonded to concrete structures.
The combined waterproofing method is an excellent method to overcome the disadvantages of the single waterproofing method by composing two or more materials to complement each other, but it is a method that can cause defects such as separation and peeling between materials due to the heterogeneity of the applied two materials. In order to improve this, in this study, we aimed to develop a technology for inducing chemical unification between materials through a urea reaction with a coating material applied on the lower side by laminating a nonwoven fabric treated with a modified amine on the back surface of the sheet material, The adhesion performance test was carried out with the presence or absence of denatured amine treated nonwovens as variables. As a result of the test, it was confirmed that the adhesion performance of the specimen to which the modified amin - treated nonwoven fabric was applied was improved by about 60% or more as compared with the specimens not having the denatured amine treated specimen.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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