The reinforced concrete lining of hydraulic pressure tunnels tends to crack under high inner water pressure (IWP), which results in the inner water exosmosis along cracks and involves typical hydro-mechanical interaction. This study aims at the development, validation and application of an indirect-coupled method to simulate the lining cracking process. Based on the concrete damage plasticity (CDP) model, the utility routine GETVRM and the user subroutine USDFLD in the finite element code ABAQUS is employed to calculate and adjust the secondary hydraulic conductivity according to the material damage and the plastic volume strain. The friction-contact method (FCM) is introduced to track the lining-rock interface behavior. Compared with the traditional node-shared method (NSM) model, the FCM model is more feasible to simulate the lining cracking process. The number of cracks and the reinforcement stress can be significantly reduced, which matches well with the observed results in engineering practices. Moreover, the damage evolution of reinforced concrete lining can be effectively slowed down. This numerical method provides an insight into the cracking process of reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels.
In this paper, we present a fatigue life prediction methodology using multiple S-N curves according to the different stress states of laminated composites. The stress states of the plies of the laminated composites are classified into five modes: longitudinal tension or compression and transverse tension or compression, and shear according to the maximum stress criterion and Puck's criterion with a scaling factor K. This methodology has advantages in computational cost, and it can also consider microstructural characteristics of the composites by applying different S-N curves. The S-N curves for the fatigue analysis are obtained by experimental fatigue test. The proposed methodol is implemented into commercial software, ABAQUS user material subroutine and therefore, the fatigue analysis is conducted using the structural analysis results. The finite element (FE) simulation results are presented for unidirectional composites with and without open-hole. The FE simulation results show that the stress condition is different depending on the fiber orientation of the unidirectional composite, so the fatigue life is calculated with different S-N curves.
Cherfi Mohamed;Zagane Mohammed El Sallah;Moulgada Abdelmadjid;Ait Kaci Djafar;Benouis Ali;Zahi Rachid;Sahli Abderahmen
Structural Engineering and Mechanics
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v.91
no.3
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pp.251-262
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2024
Numerical modeling using the finite element method (FEM) offers crucial insights into the mechanical behavior of prostheses, including stress and strain distribution, load transfer, and stress intensity factors. Analyzing cracking in PMMA surgical cement (polymethylmethacrylate) for total hip prostheses (THP) is essential for understanding the loosening phenomenon, as the rupture of orthopedic cement is a primary cause. By understanding various failure mechanisms, significant advancements in cemented total prostheses can be achieved. This study performed a numerical analysis using a 3D FEM model to evaluate stress levels in different THP models, aiming to model damage in the orthopedic cement used in total hip arthroplasty. Utilizing ABAQUS software, FEM, and XFEM, the damage in three types of THPs-Charnley (CMK3), Osteal (BM3), and THOMPSON was modeled under stumbling loading conditions. XFEM allowed for the consideration of crack propagation between the cement and bone, while the GEARING criterion employed a user-defined field subroutine to model damage parameters. The study's findings can contribute to improving implant fixation techniques and preventing postoperative complications in orthopedic surgery.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.48
no.9
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pp.663-670
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2020
A study on mechanical property characterization and modeling technique was carried out to approximate the behaviour of structures with 2.5D C/SiC material. Several tensile tests were performed to analyze the behaviour characteristics of the 2.5D C/SiC material and elastic property was characterized by applying a mathematical homogenization and a modified rule of mixture. SiC matrix representing the elasto-plastic behavior approximates as a bilinear function. Then the equivalent yield strength and equivalent plastic stiffness were calculated by minimizing errors in experiment and approximation. RVE(Representative Volume Element)was defined from the fiber and matrix configuration of 2.5D C/SiC and a process of calculating the effective stiffness matrix by applying the modified rule of mixture to RVE was implemented in the ABAQUS User-defined subroutine. Finite element analysis was performed by applying the mechanical properties of fiber and matrix calculated based on the proposed process, and the results were in good agreement with the experimental results.
With the current move towards adopting mechanistic-empirical concepts in the design of pavement structures, state-of-the-art mechanistic analysis methodologies are needed to determine accurate pavement responses, such as stress, strain, and deformation. Previous laboratory studies of pavement foundation geomaterials, i.e., unbound granular materials used in base/subbase layers and fine-grained soils of a prepared subgrade, have shown that the resilient responses followed by nonlinear, stress-dependent behavior under repeated wheel loading. This nonlinear behavior is commonly characterized by stress-dependent resilient modulus material models that need to be incorporated into finite element (FE) based mechanistic pavement analysis methods to predict more realistically predict pavement responses for a mechanistic pavement analysis. Developed user material subroutine using aforementioned resilient model with nonlinear solution technique and convergence scheme with proven performance were successfully employed in general-purpose FE program, ABAQUS. This numerical analysis was investigated in predicted critical responses and domain selection with specific mesh generation was implemented to evaluate better prediction of pavement responses. Results obtained from both axisymmetric and three-dimensional (3D) nonlinear FE analyses were compared and remarkable findings were described for nonlinear FE analysis. The UMAT subroutine performance was also validated with the instrumented full scale pavement test section study results from the Federal Aviation Administration's National Airport Pavement Test Facility (FAA's NAPTF).
Park, K.S.;Oh, C.W.;Kim, T.W.;Jeong, Hyun-Yong;Kim, Y.H.
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.20
no.9
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pp.1399-1409
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2006
An improved friction model was proposed with consideration of the effect of the sliding speed, the contact pressure and the temperature, and it was implemented into a user subroutine of a commercial FEM code, ABAQUS/Explicit. Then, a smooth tire was simulated for free rolling, driving, braking and cornering situations using the improved friction model and the Coulomb friction model, and the effect of the friction models on the slip, the frictional energy distribution and the cornering force and moment was analyzed. For the free rolling, the driving and the braking situations, the improved friction model and the Coulomb friction model resulted in similar profiles of the slip and the frictional energy distributions although the magnitudes were different. The slips obtained from the simulations were in a good correlation with experimental data. For the cornering situation, the Coulomb friction model with the coefficient of friction of 1 or 2 resulted in lower or higher cornering forces and moments than experimental data. In addition, in contrast to experimental data it did not result in a maximum cornering force and a decrease of the cornering moment for the increase of the speed. However, the improved friction model resulted in similar cornering forces and moments to experimental data, and it resulted in a maximum cornering force and a decrease of the cornering moment for the increase of the speed, showing a good correlation with experimental data.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.3
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pp.479-486
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2002
In this study, the progressive inelastic deformation, so called, thermal ratchet phenomenon which can occur in high temperature structures of liquid metal reactor was simulated with thermal ratchet structural test facility and 316L stainless steel test cylinder. The thermal ratchet deformation at the reactor baffle cylinder of the liquid metal reactor can occur due to the moving temperature distribution along the axial direction as the sodium free surface moves up and down under the cyclic heat-up and cool-down transients. The ratchet deformation was measured with the laser displacement sensor and LVDTs after cooling the structural specimen which is heated up to 55$0^{\circ}C$ with steep temperature gradients along the axial direction. The temperature distribution of the test cylinder along the axial direction was measured with 28 channels of thermocouples and was used for the ratchet analysis. The thermal ratchet deformation was analyzed with the constitutive equation of nonlinear combined hardening model which was implemented as ABAQUS user subroutine and the analysis results were compared with those of the test. Thermal ratchet load was applied 9 times and the residual displacement after 9 cycles of thermal load was measured to be 1.79mm. The ratcheting deformation shapes obtained by the analysis with the combined hardening model were in reasonable agreement with those of the structural tests.
In this paper, an extended finite element method is proposed to analyze both geometric and material non-linear behavior of general Functionally Graded Material (FGM) plate-shell type structures. A user defined subroutine (UMAT) is developed and implemented in Abaqus/Standard to study the elastoplastic behavior of the ceramic particle-reinforced metal-matrix FGM plates-shells. The standard quadrilateral 4-nodes shell element with three rotational and three translational degrees of freedom per node, S4, is extended in the present study, to deal with elasto-plastic analysis of geometrically non-linear FGM plate-shell structures. The elastoplastic material properties are assumed to vary smoothly through the thickness of the plate-shell type structures. The nonlinear approach is based on Mori-Tanaka model to underline micromechanics and locally determine the effective FGM properties and self-consistent method of Suquet for the homogenization of the stress-field. The elasto-plastic behavior of the ceramic/metal FGM is assumed to follow Ludwik hardening law. An incremental formulation of the elasto-plastic constitutive relation is developed to predict the tangent operator. In order to to highlight the effectiveness and the accuracy of the present finite element procedure, numerical examples of geometrically non-linear elastoplastic functionally graded plates and shells are presented. The effects of the geometrical parameters and the volume fraction index on nonlinear responses are performed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.5
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pp.437-445
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2016
Recently, polyurethane foam has been used in various industry fields to preserve temperature environment of structures, and a wide range of loads from the static to the dynamic are imposed on the material during a life period. The biggest characteristic of polyurethane foam is porosity as being polymeric material, and it is generally known that insulation performance of the material strongly depends on internal void size. In addition, polyurethane foam's mechanical behavior has high dependence on strain rate and temperature as well as being highly non-linear ductile for compression. In the non-linear compressive behavior, volume fraction of voids and elastic modulus decrease as strain increases. Therefore, in this study, temperature-dependent viscoplastic-damage constitutive model was developed to describe the non-linear compressive behavior with the aforementioned features of polyurethane foam.
A three-dimensional finite analysis method was proposed to predict the failure of composite double-lap bolted joints, which is based on the stiffness degradation method using damage variables and Hashin's three-dimensional failure criteria. Ladeveze's theory using damage variables to consider the matrix/shear damage was combined with stiffness degradation in fiber direction. Four different failure modes were considered including matrix compression/shear, matrix tension/shear, fiber compression, and tension failures. The friction between bolt and composite and the clamping force were considered using a commercial finite element software ABAQUS. The damage model was incorporated using the user-defined subroutine of the software. The predicted result was verified with the existing test result for bearing tension double shear and showed the deviation ranging 7~16% from test results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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