Sayed Mohammad Hossein Izadi;Mahdi Fakoor;Babak Mirzavand
Steel and Composite Structures
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v.53
no.1
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pp.91-101
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2024
A cost-effective fabrication method suitable for research purposes is proposed in this study. The elastic modulus of the fabricated functionally graded materials is evaluated and compared using two experimental methods: the three-point bending test and the tensile test, with a focus on the fiber volume fraction of the FGM layers. New methods for computing the elastic modulus are introduced, which are based on Castigliano's theorem and the secant modulus concept, incorporating the non-linear behavior of the material. Additionally, the mode I fracture toughness of the FGM layers is measured accurately using the three-point bending test and finite element analysis, and the influence of varying fiber volume fractions on this parameter is investigated through statistical analysis. Results indicate that while an increase in fiber volume fraction correlates with a rise in elastic modulus, it does not necessarily lead to an enhancement in mode I fracture toughness, highlighting the complex interactions between material composition and mechanical properties.
The behavior of the soil subgrade is complex and irregular against loads. When modeling, the soil is often replaced by a more straightforward system called a subgrade model. The Winkler method of linear elastic springs is a popular method of soil modeling in which the spring constant shows the modulus of subgrade reaction. In this research, the factors affecting the distribution of the modulus of subgrade reaction of elastoplastic subgrades are examined. For this purpose, critical theories about the modulus of subgrade reaction were examined. A square raft foundation on a sandy soil subgrade with was analyzed at different internal friction angles and Young's modulus values using ABAQUS software. To accurately model the actual soil behavior, the elastic, perfectly plastic constitutive model was applied to investigate a foundation on discrete springs. In order to increase the accuracy of soil modeling, equations have been proposed for the distribution of the subgrade reaction modulus. The constitutive model of the springs is elastic, perfectly plastic. It was observed that the modulus of subgrade reaction under an elastic load decreased when moving from the corner to the center of the foundation. For the ultimate load, the modulus of subgrade reaction increased as it moved from the corner to the center of the foundation.
The complex Young's modulus of a viscoelastic material can be obtained as a function of frequency from the measurements of relative motion between the two ends of a bar-type specimen. Non-resonance method is usually used to obtain the complex Young's modulus over wide range of frequency including resonance points, while in resonance method information at resonance frequencies only is used. However, the complex Young's modulus obtained by the non-resonance method is often unreliable in the anti-resonance frequency regions because of the measurement noise problems. In this study, the effects of the random measurement errors on estimating the complex Young's modulus are studied in the aspect of sensitivity, and how to obtain the reliable frequency region for a given measurement error level is shown. The usable frequency regions in determining the complex Young's modulus are represented by a non-dimensional parameter formed with the wave length and specimen length.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.66
no.1
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pp.15-24
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2024
Unlike artificially created homogeneous materials, the process of calculating the elastic modulus of natural soil involves the possibility of errors. Because the stress-strain behavior of soil is nonlinear, the secant modulus of elasticity is often used based on 1/2 of the stress at failure. Since soil has the property of changing its elastic modulus depending on the confining pressure, numerical analysis models that analyze its behavior inevitably include complex elements. The hyperbolic model, which relatively accurately simulates the behavior immediately after loading in soft ground, assumes that the stress-strain curve of the consolidated undrained triaxial test is hyperbolic and requires the slope of the tangent line at the starting point. However, the slope of the initial tangent in the stress-strain curve obtained from an actual triaxial test is difficult to have regularity according to changes in confining pressure. Additionally, due to the characteristics of a hyperbola, even small changes in related factors cause large changes in the hyperbola. Therefore, there is a lot of randomness in the process of calculating model parameters from the triaxial test results, which causes large differences in the results. Therefore, the method of calculating the initial elastic modulus by the consolidation test presented in this study is also used to verify the method by the triaxial test. It can be applied. However, since this study was applied to only one sample showing typical consolidation characteristics, it is necessary to check samples with various physical properties in the future.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.26
no.6
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pp.390-402
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2006
The elastic properties and thickness of mullite environmental barrier coatings grown through chemical vapor deposition (CVD) on silicon carbide substrates were measured using frequency domain photoacoustic microscopy. In this technique, extremely narrow bandwidth surface acoustic waves are generated with an amplitude modulated laser source. A photorefractive crystal based interferometer is used to detect the resulting surface displacement. The complex displacement field is mapped as a function of source-to-receiver distance in order to extract the wavelength of the surface acoustic wave at a given excitation frequency, and the phase velocity is determined. The coatings tested exhibited spatial variations in thickness and mechanical properties. The measured surface wave dispersion curves were used to extract an effective value for the elastic modulus and the coating thickness. Nanoindentation was used to validate the measurements of the effective elastic modulus. The average elastic modulus measured through the coating thickness using nanoindentation is compared to the effective modulus found using the photoacoustic system. Optical microscopy is used to validate the thickness measurements. The results indicate that the photoacoustic microscopy technique can be used to estimate the effective elastic properties in coatings exhibiting spatial inhomogeneities, potentially providing valuable feedback for the optimization of the CVD growth process.
Alumina tapes, having various weight ratios of alumina powder/(alumina+binder+plasticizer), X, and binder / (binder+plsticizer), Y, were prepared and their complex modulus was measured using Micro Fourier Rheometer. As the X and Y ratios increased, Transfer function(TF) magnitude and Transfer function (TF) phase increased and decreased, respectively, indicating that the elastic modulus of the tapes depends on the weight ratios. The temperature dependence of the viscosity of the tapes was visualized by the decreased TF magnitude and the increased TF phase. The Y ratio dependence of the complex modulus related to the glass transition temperature of the tapes and the moduls change by the Y ratio was higher than that by the X ratio within the comperature of the tapes and the modulus changes by the Y ratio was higher than that by the X ratio within the composition range, investigated in the present study. The measurement of the complex modulus of the alumina tapes suggested that the TF phase should be higher that 17$^{\circ}$for the tapes to be utilized for 3-dimensional shaping.
The mechanism of biological materials structure is very complex and has optimal properties compared to engineering materials. Top Neck mollusks shells, as an example of biological materials, have hierarchical structure, which 95 percent of its structure is Aragonite and 5 percent organic materials. This article detected mechanical properties of the Top Neck mollusks shell as a Nano composite using Nano-indentation method in different situations. Research findings indicate that mechanical properties of the Top Neck mollusks shell including elastic modulus and hardness are higher than a fresh one preserved in -50 centigrade and also a Top Neck mollusks shell preserved in environmental conditions. Nano-indentation test results are so close in range, overall, that hardness degree is 3900 to 5200 MPa and elastic modulus is 70 to 85 GPa.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2000.10a
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pp.166-173
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2000
This paper describes the method of evaluating the elastic modulus of soil medium by using the Retangular Plate Loading Test. The foundaton is considered to be the elastic half-space. The stiffness matrix of elastic half space is drived using Boussinesq's analytical soulution. A numerical examples are presented to verify the validity of this procedure. Also, the numerical results are compared with those of the existing study results. The procedure proposed in this theses can be applied to the design of concrete paving resting on the elastic foundation
The uncertain geotechnical properties of frozen soil are important evidence for the design, operation and maintenance of the frozen ground. The complex geological, environmental and physical effects can lead to the spatial variations of the frozen soil, and the uncertain mechanical properties are the key factors for the uncertain analysis of frozen soil engineering. In this study, the elastic modulus, strength and Poisson ratio of warm frozen soil were measured, and the statistical characteristics under different temperature conditions are obtained. The autocorrelation distance (ACD) and autocorrelation function (ACF) of uncertain mechanical properties are estimated by random field (RF) method. The results show that the mean elastic modulus and mean strength decrease with the increase of temperature while the mean Poisson ratio increases with the increase of temperature. The average values of the ACD for the elastic modulus, strength and Poisson ratio are 0.64m, 0.53m and 0.48m, respectively. The standard deviation of the ACD for the elastic modulus, strength and Poisson ratio are 0.03m, 0.07m and 0.03m, respectively. The ACFs of elastic modulus, strength and Poisson ratio decrease with the increase of ratio of local average distance and scale of fluctuation. The ACF of uncertain mechanical properties is different when the temperature is different. This study can improve our understanding of the spatial autocorrelation variations of uncertain geotechnical properties and provide a basis and reference for the uncertain settlement analysis of frozen soil foundation.
Park, Mi-Yun;Lee, Jin-Ug;Lee, Seong-Hyeok;Park, Jae-Hak;Lim, Yu-Jin
Proceedings of the KSR Conference
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2011.10a
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pp.428-435
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2011
In general, thickness of the sublayers under track is designed based on concept of vertical soil reaction value or vertical stiffness. However, this design method cannot take consideration into soil-track interaction under repetitive load, traffic condition and velocity of the train. Furthermore, the reinforced roadbed soils experience complex behavior that cannot be explained by conventional stress-strain relation expressed as soil reaction value k. The reinforced roadbed soils also can produce cumulative permanent deformation under repetitive load caused by train. Therefore new design method for the sublayers under track must be developed that can consider both elastic modulus and permanent deformation. In this study, a new design concept, a rule-of-thumb, is proposed as the form of design monograph that is developed using elastic multi-layer and finite element programs by analyzing stress and deformation in the sublayers with changing the thickness and elastic modulus of the sublayers and also using data obtained from repetitive triaxial test. This new design concept can be applied to design of the reinforced roadbed before developing full version of design methodology that can consider MGT, axial load and the material properties of the layers. The new design monograph allows the user to design the thickness of the reinforced roadbed based on permanent deformation, elastic modulus and MGT.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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