Suthee Piyaphipat;Boonchai Phungpaingam;Kamtornkiat Musiket;Yunping Xi
Computers and Concrete
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v.32
no.4
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pp.383-392
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2023
The mechanical properties of Recycled Aggregate Concrete (RAC) with 100 percent Recycled Coarse Aggregate (RCA) under loading rates were investigated in depth. The theoretical model was validated utilizing the RAC elastic modulus obtained from cylindrical specimens subjected to various strain rates. Viscoelastic theories have traditionally been used to describe creep and relaxation of viscoelastic materials at low strain rates. In this study, viscoelastic theories were extended to the time domain of high strain rates. The theory proposed was known as reversed viscoelastic theory. Normalized Dirichlet-Prony theory was used as an illustration, and its parameters were determined. Comparing the predicted results to the experimental data revealed a high level of concordance. This methodology demonstrated its ability to characterize the strain rate effect for viscoelastic materials, as well as its applicability for determining not only the elastic modulus for viscoelastic materials, but also their shear and bulk moduli.
A hierarchical multi-scale modeling strategy devoted to the study of a Bitumen-Bound Gravel (BBG) is presented in this paper. More precisely, the paper investigates the temperature-dependent linear viscoelastic of the material when submitted to low deformations levels and moderate number of cycles. In such a hierarchical approach, 3D digital Representative Elementary Volumes are built and the outcomes at a scale (here, the sub-mesoscale) are used as input data at the next higher scale (here, the mesoscale). The viscoelastic behavior of the bituminous phases at each scale is taken into account by means of a generalized Maxwell model: the bulk part of the behavior is separated from the deviatoric one and bulk and shear moduli are expanded into Prony series. Furthermore, the viscoelastic phases are considered to be thermorheologically simple: time and temperature are not independent. This behavior is reproduced by the Williams-Landel-Ferry law. By means of the FE simulations of stress relaxation tests, the parameters of the various features of this temperature-dependent viscoelastic behavior are identified.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.4
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pp.827-838
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1994
Numerous pavement response models rely on constitutive relationships to describe the response of granular materials. In this study, a nonlinear elastic constitutive model which is a function of bulk stress and octahedral shear stress is proposed to describe the resilient behavior of thick granular base courses under flexible airfield pavements. Special features of this model are its accuracy to predict the nonlinear resilient behavior, its simplicity to determine the material constants and its ability to model the secondary effect of decreasing the resilient modulus due to shear effects. In laboratory tests, the nonlinear resilient behavior of granular materials is investigated and values of resilient moduli are determined to provide data for verifying the proposed model. It is found that the resilient modulus is much more dependent on the states of stresses in terms of bulk stress and deviator stress than any other factors. Result of comparison shows that predicted values of resilient moduli are in good agreement with the measured values indicating that the proposed model is suitable to describe the nonlinear resilient behavior of the granular material with wide range of stress states which meet in airfield pavements.
This paper introduces a novel approach to multi-material topology optimization (MTO) targeting in-plane bi-directional functionally graded (IBFG) non-uniform thickness Reissner-Mindlin plates, employing an alternative active phase approach. The mathematical formulation integrates a first shear deformation theory (FSDT) to address compliance minimization as the objective function. Through an alternating active-phase algorithm in conjunction with the block Gauss-Seidel method, the study transforms a multi-phase topology optimization challenge with multi-volume fraction constraints into multiple binary phase sub-problems, each with a single volume fraction constraint. The investigation focuses on IBFG materials that incorporate adequate local bulk and shear moduli to enhance the precision of material interactions. Furthermore, the well-established mixed interpolation of tensorial components 4-node elements (MITC4) is harnessed to tackle shear-locking issues inherent in thin plate models. The study meticulously presents detailed mathematical formulations for IBFG plates in the MTO framework, underscored by numerous numerical examples demonstrating the method's efficiency and reliability.
A theory developed in Part I has been applied to calculate effective elastic and thermoelastic moduli of particle-strengthened, unidirectionally fiber-reinforced, and layered composites. For the unidirectional fiber composites the effect of fiber aspect ratio is taken into account. The analytical solutions obtained to the effective elastic moduli are compared with some of existing expressions and the following results are found. The effective bulk and shear moduli of the particle strengthened composites coincide with Korner's expressions, which correspond with the lower bounds of Hanshin and Shtrikman. The same expressions as the lower bounds of Hill and Hanshin are obtained for five independent moduli of the aligned continuous fiber composites, four of which coincide with Hanshin and Rosen's exact solutions for 'composite cylinder assemblage'.
In this paper, the first-order shear deformation theory (FSDT) (Mindlin) for continuum incorporating surface energy is exploited to study the static behavior of ultra-thin functionally graded (FG) plates. The size-dependent mechanical response is very important while the plate thickness reduces to micro/nano scales. Bulk stresses on the surfaces are required to satisfy the surface balance conditions involving surface stresses. Unlike the classical continuum plate models, the bulk transverse normal stress is preserved here. By incorporating the surface energies into the principle of minimum potential energy, a series of continuum governing differential equations which include intrinsic length scales are derived. The modifications over the classical continuum stiffness are also obtained. To illustrate the application of the theory, simply supported micro/nano scaled rectangular films subjected to a transverse mechanical load are investigated. Numerical examples are presented to present the effects of surface energies on the behavior of functionally graded (FG) film, whose effective elastic moduli of its bulk material are represented by the simple power law. The proposed model is then used for a comparison between the continuum analysis of FG ultra-thin plates with and without incorporating surface effects. Also, the transverse shear strain effect is studied by a comparison between the FG plate behavior based on Kirchhoff and Mindlin assumptions. In our analysis the residual surface tension under unstrained conditions and the surface Lame constants are expected to be the same for the upper and lower surfaces of the FG plate. The proposed model is verified by previous work.
Using first principles calculations we investigated the thermomechanical stability of spent nuclear fuels (SNF), especially how mechanical properties of $UO_2$, such as, bulk, shear and Young's moduli and Poisson's ratio vary through alpha-decay of U into Th with generation of He gas. Our results indicate that substitution of U by Th through alpha decay ($U_{1-x}Th_xO_2$) does not significantly affect the stability of the grain in a fuel matrix. In addition, we studied the transport properties of He in and boundaries of the $U_{1-x}Th_xO_2$ grain. Helium preferentially resides at the grain boundaries through diffusion. Our study can contribute to substantial reduction of environmentally risk and enhancement of our sustainability by safe control of radioactive materials.
Nguyen, Cong-Uy;Hoang, Truong-Vinh;Hadzalic, Emina;Dobrilla, Simona;Matthies, Hermann G.;Ibrahimbegovic, Adnan
Coupled systems mechanics
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v.11
no.5
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pp.411-438
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2022
In this paper, we present the parameter identification for inelastic and multi-scale problems. First, the theoretical background of several fundamental methods used in the upscaling process is reviewed. Several key definitions including random field, Bayesian theorem, Polynomial chaos expansion (PCE), and Gauss-Markov-Kalman filter are briefly summarized. An illustrative example is given to assimilate fracture energy in a simple inelastic problem with linear hardening and softening phases. Second, the parameter identification using the Gauss-Markov-Kalman filter is employed for a multi-scale problem to identify bulk and shear moduli and other material properties in a macro-scale with the data from a micro-scale as quantities of interest (QoI). The problem can also be viewed as upscaling homogenization.
The glass transition temperature, dynamic shear moduli, and bulk viscosities of PVC, filled with nickel particles, were investigated. The glass temperature of the composite increased with increasing filler concentration. The data were interpreted by assuming that the interaction between filler particles and the polymer matrix reduces molecular mobility and flexibility of the polymer chains in the vicinity of the interfaces. The relative modulus for the PVC/Ni composite system followed the Kerner equation. The relative viscosities were strongly temperature dependent and did not agree with the conventional viscosity predictions for suspensions. It is suggested that the filler has a twofold effect on the viscosity of the composite materials; one is due to its mechanical presence and the other is due to modification of part of the polymer matrix caused by interaction. This phenomenon is approximately bounded by Kerner's predictions for suspensions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.39
no.2
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pp.129-135
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2015
In this experimental study, the thermal stability values of micrometer-sized silica particle-reinforced epoxy composite specimens were evaluated by measuring their thermal expansion coefficients and Young's moduli. For all specimens used in this study (from the baseline specimen to that containing 70 wt% silica filler), the thermal expansion coefficients and Young's moduli were gradually reduced down to 25% and increased up to 51%, respectively. The results of the experiment were compared with those of certain empirical models. The experimental results of the measurement of thermal expansion coefficients corresponded well with those of Kerner's model, which considers the bulk and shear moduli of the matrix and silica filler. However, the results of the measurement of Young's moduli using the empirical Mori-Tanaka model were observed to match better with those of the experiment. The comparison of the results of the experiment with those of the empirical models demonstrated that a reliable model for measuring the thermal expansion coefficients and Young's moduli of composite specimens needs to consider certain property variations in the composites in addition to volume fraction changes in the filler and matrix.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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