This work presents a proposal for employing reduced numerical integration in the formulation of the 4-node quadrilateral solid finite element. The use of these low-order integration rules leads to numerical instabilities such as those producing the hourglass effect. The proposed procedure allows evaluating a given constitutive model only in one integration point, achieving an attractive computational cost reduction and, also, successfully controls the hourglass effect. A validation of the proposal is included and discussed throughout the paper. To show the efficiency of the proposal, several application examples of masonry structures are studied and discussed. To represent the non-linear mechanical behaviour of masonry a plastic-damage model is implemented within the application of this sub-integration scheme. Also, in order to have a full and computationally efficient strategy to determine the behaviour of masonry structures, involving its evolution to collapse, a homogenization technique with a macro-modeling approach is used. The methodology discussed throughout this paper demonstrates a substantial computational cost reduction and an improved approximation of the non-linear problem evidenced by a reduction of up to 85% of the computational time for some cases.
This research article reported the nonlinear finite solutions of the nonlinear flexural strength and stress behaviour of nano sandwich graded structural shell panel under the combined thermomechanical loading. The nanotube sandwich structural model is derived mathematically using the higher-order displacement polynomial including the full geometrical nonlinear strain-displacement equations via Green-Lagrange relations. The face sheets of the sandwich panel are assumed to be carbon nanotube-reinforced polymer composite with temperature dependent material properties. Additionally, the numerical model included different types of nanotube distribution patterns for the sandwich face sheets for the sake of variable strength. The required equilibrium equation of the graded carbon nanotube sandwich structural panel is derived by minimizing the total potential energy expression. The energy expression is further solved to obtain the deflection values (linear and nonlinear) via the direct iterative method in conjunction with finite element steps. A computer code is prepared (MATLAB environment) based on the current higher-order nonlinear model for the numerical analysis purpose. The stability of the numerical solution and the validity are verified by comparing the published deflection and stress values. Finally, the nonlinear model is utilized to explore the deflection and the stresses of the nanotube-reinforced (volume fraction and distribution patterns of carbon nanotube) sandwich structure (different core to face thickness ratios) for the variable type of structural parameter (thickness ratio, aspect ratio, geometrical configurations, constraints at the edges and curvature ratio) and unlike temperature loading.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.13
no.1
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pp.153-158
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2005
Titanium alloy has widely been used as material for automotive parts because it has high specific strength. It is also light and harmless to human body. But, we have little design data about the creep behaviors of the alloy. Therefore, in this study, creep tests under four constant stress conditions have been conducted with low different temperature conditions. A series of creep tests had been performed to get the basic design data and life prediction of titanium products and we have gotten the fallowing results. First, the stress exponents decrease as the test temperatures increased. Secondly, the creep activation energy gradually decrease as the stresses became bigger. Thirdly, the constant of Larson-Miller parameter on this alloy was estimated as about 7.5. And for the last, the fractographs at the creep rupture showed the ductile fracture due to the intergranullar rupture.
In this study, the behaviour of an unsaturated soil was analyzed by performing $K_0$ consolidated triaxial tests. Unsaturated triaxial tests were performed with matric suctions for weathered soils and stress paths under consolidation and stress-strain relationships under shear were obtained. As a result, the $K_0$ value decreased as the matric suction increased. Besides, both isotropic and $K_0$ conditions had similar shear strength envelopes at the same matric suction. Especially, strength parameters could be obtained by stress variables used in the critical state theory more reasonably than by those of Mohr circles at failure.
The strain ageing behaviour of Zircaloy-4 has been studied in the temperature range 175$^{\circ}C$ to 575$^{\circ}C$ for both quenched and annealed specimens. The strain ageing in quenched Zircaloy-4 was found in the temperature range 175$^{\circ}C$ to 50$0^{\circ}C$ and its Peak occured at 3$25^{\circ}C$ while the strain ageing in annealed specimens occured in the temperature range 175-575$^{\circ}C$, showing two peaks, one at 323$^{\circ}C$ and a higher one at 45$0^{\circ}C$. The peak at 3$25^{\circ}C$ in both quenched and annealed specimens is considered to be due to the segregation of interstitial oxygen atoms to cell walls during ageing. The peak at 45$0^{\circ}C$ in annealed specimens is considered to he due to the interaction of dislocations with Fe atoms. It has been found that strain ageing stress at ~30$0^{\circ}C$ in zirconium alloys is proportional to the square root of oxygen content.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.18
no.6
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pp.557-568
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2016
Squeezing is a phenomenon that may occur in deep tunneling and could bring about a large plastic deformation, tunnel closure and collapse of tunnel supports. Therefore, quantitative estimations of deformation and stress from squeezing and its possibility are necessary for establishment of a rational tunneling method. This study carried out three dimensional numerical analyses using a strain softening model in order to simulate the behaviour of squeezing and to estimate deformation and yield area around tunnels quantitatively. Numerical analyses were performed for 42 cases of various stress and strength conditions. As a result, the maximum tangential stress and strength of rock mass ratio could estimate plastic deformation and yield depth around tunnels and equations of relations between them were proposed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.36
no.3
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pp.361-374
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2016
The material property of the rubber has been studied in order to improve the reliability of the finite element model of a lead rubber bearing (LRB) which is a typical base isolator. Rubber exhibits elastic behaviour even within the large strain range, unlike the general structural material, and has a hyper-elastic characteristics that shows non-linear relationship between load and deformation. This study represents the mechanical characteristics of the rubber by strain energy function in order to develop a finite element (FE) model of LRB. For the study, several strain energy functions were selected and mechanical properties of the rubber were estimated with the energy functions. A finite element model of LRB has been developed by using material properties of rubber and lead which were identified by stress tests. This study estimated the horizontal and vertical force-displacement relationship with the FE model. The adequacy of the FE model was validated by comparing the analytical results with the experimental data.
A typical viable technique to decrease the seismic response of liquid storage tanks is to isolate them at the base. Base-isolation systems are an efficient and feasible solution to reduce the vulnerability of structures in high seismic risk zones. Nevertheless, when liquid storage tanks are under long-period shaking, the base-isolation systems could have different impacts. These kinds of earthquakes can damage the tanks readily. Hence, the seismic behaviour and vibration of cylindrical liquid storage tanks, subjected to earthquakes, is of paramount importance, and it is investigated in this paper. The Finite Element Method is used to evaluate seismic response in addition to the reduction of excessive liquid sloshing in the tank when subjected to the long-period ground motion. The non-linear stress-strain behaviour pertaining to polymers and rubbers is implemented while non-linear contact elements are employed to describe the 3-D surface-to-surface contact. Therefore, Nonlinear Procedures are used to investigate the fluid-structure interactions (FSI) between liquid and the tank wall while there is incompressible liquid. Part I, examines the effect of the flexibility of the isolation system and the tank aspect ratio (height to radius) on the tank wall radial displacements of the tank wall and the liquid sloshing heights. Maximum stress and base shear force for various aspect ratios and different base-isolators, which are subjected to three seismic conditions, will be discussed in Part II. It is shown that the composite-base isolator is much more effective than other isolators due to its high flexibility and strength combined. Moreover, the base isolators may decrease the maximum level pertaining to radial displacement.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.6
no.3
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pp.75-86
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1986
The welded joint of the rail of railroad had shown the complicated behaviour of fatigue crack growth due to the effect of low toughness, residual stress, welding stress and strain etc. resulting from welding. Also, the welding connection has been necessary as making longer the rail, thus fatique fracture has often occurred at welded joints. From above, in this paper, faigue test was done at base metal, gas pressure and thermit welded joints to give the basic data to construct S-N diagrams. From this, it was known that the base metal was better than welded joint and gas pressure better than thermit welded joints in the resistance against the behaviour of fatigue crack growth. And it was also found that it is very dangerous to control fracture only by the method of material mechanics.
In the finite element modelling of long-span cable-stayed bridges, there are a lot of uncertainties brought about by the complex structural configuration, material behaviour, boundary conditions, structural connections, etc. In order to reduce the discrepancies between the theoretical finite element model and the actual static and dynamic behaviour, updating is indispensable after establishment of the finite element model to provide a reliable baseline version for further analysis. Traditional sensitivity-based updating methods cannot support updating based on static and dynamic measurement data at the same time. The finite element model is required in every optimization iteration which limits the efficiency greatly. A convenient but accurate Kriging surrogate model for updating of the finite element model of cable-stayed bridge is proposed. First, a simple cable-stayed bridge is used to verify the method and the updating results of Kriging model are compared with those using the response surface model. Results show that Kriging model has higher accuracy than the response surface model. Then the method is utilized to update the model of a long-span cable-stayed bridge in Hong Kong. The natural frequencies are extracted using various methods from the ambient data collected by the Wind and Structural Health Monitoring System installed on the bridge. The maximum deflection records at two specific locations in the load test form the updating objective function. Finally, the fatigue lives of the structure at two cross sections are calculated with the finite element models before and after updating considering the mean stress effect. Results are compared with those calculated from the strain gauge data for verification.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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