Mechanical behavior in nano-sized structures differs from those in macro sized structures due to surface effect. As the ratio of surface to volume increases, surface effect is not negligible and causes size-dependent mechanical behavior. In order to identify this size effect, atomistic simulations are required; however, it has many limitations because too much computational resource and time are needed. To overcome the restrictions of the atomistic simulations and graft the well-established continuum theories, the continuum model considering surface effect, which is based on the bridging technique between atomistic and continuum simulations, is introduced. Because it reflects the size effect, it is possible to carry out a variety of analysis which is intractable in the atomistic simulations. As a part of the application examples, the homogenization method is applied to micro/nano thin films with porosity and the homogenized elastic coefficients of the nano scale thickness porous films are computed in this paper.
This paper focuses on geometrically non-linear static analysis of a simply supported beam made of hyperelastic material subjected to a non-follower transversal uniformly distributed load. As it is known, the line of action of follower forces is affected by the deformation of the elastic system on which they act and therefore such forces are non-conservative. The material of the beam is assumed as isotropic and hyperelastic. Two types of simply supported beams are considered which have the following boundary conditions: 1) There is a pin at left end and a roller at right end of the beam (pinned-rolled beam). 2) Both ends of the beam are supported by pins (pinned-pinned beam). In this study, finite element model of the beam is constructed by using total Lagrangian finite element model of two dimensional continuum for a twelve-node quadratic element. The considered highly non-linear problem is solved by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. In order to use the solution procedures of Newton-Raphson type, there is need to linearized equilibrium equations, which can be achieved through the linearization of the principle of virtual work in its continuum form. In the study, the effect of the large deflections and rotations on the displacements and the normal stress and the shear stress distributions through the thickness of the beam is investigated in detail. It is known that in the failure analysis, the most important quantities are the principal normal stresses and the maximum shear stress. Therefore these stresses are investigated in detail. The convergence studies are performed for various numbers of finite elements. The effects of the geometric non-linearity and pinned-pinned and pinned-rolled support conditions on the displacements and on the stresses are investigated. By using a twelve-node quadratic element, the free boundary conditions are satisfied and very good stress diagrams are obtained. Also, some of the results of the total Lagrangian finite element model of two dimensional continuum for a twelve-node quadratic element are compared with the results of SAP2000 packet program. Numerical results show that geometrical nonlinearity plays very important role in the static responses of the beam.
The correlation analysis between the results obtained from DFN flow model and equivalent continuum flow model were conducted on total of 72 DFN blocks having various fracture geometry and domain size. A strong linear relation seems to exist between the two approaches under condition that normalized relative error for continuum behavior (ER) is less than 0.2, and the results from both methods are found to almost identical. To explore the field applicability of equivalent continuum flow model in DFN media, a total of 48 numerical schemes related to inflow of underground circular openings were implemented under various DFN configurations. The equivalent continuum flow model in DFN media with a constant hydraulic aperture was evaluated as valid. However, as the anisotropy increases due to variation of the hydraulic aperture, the results are likely to be overestimated compare to the DFN flow model.
In order to investigate the tendency of general displacements and behaviors with respect to each construction process as well as the applicability of numerical analysis schemes, this research has focused on not only analyzing a variety of field observations made in a NATM tunnel, such as displacement of top and side, stress of shotcrete and axial strength of rock bolt, but also carrying out a series of numerical analyses. It was established from the investigation that the 2-dimensional continuum numerical analysis was the one which could more accurately predict displacement of crown and side in the area of one step excavation (patten, P1-P3), while the 2-dimensional discontinuum analysis was the most suitable scheme to study that of two step excavation (patten, P4-P6). In addition, the 2-dimensional continuum analysis enabled to appropriately predict the axial strength of rock bolt and stress of shotcrete in all the area of the tunnel. Finally, it has been possible to conclude from the study that the 3-dimensional continuum analysis should be applied to inspect the behavior and tendency with respect to each stage of the construction as well as in the case of joints, such as large turnouts where relaxation loads in both of horizontal and vertical direction are piled up.
Hyperspectral imaging is used in a wide variety of research since the image is obtained with a wider wavelength range and more bands than multispectral imaging. However, there are limitations, namely that each band has a shorter wavelength range, the computation cost is increased in the case of numerous bands, and a high correlation between each band and noise bands exists. The previous analysis method does not produce ideal results due to these limitations. Therefore, in the case of using the hyperspectral image, image analysis after eliminating noise bands is more accurate and efficient. In this study, noise band elimination of the hyperspectral image preprocessing is highlighted, and we use fractal dimension for noise band elimination. The Triangular Prism Method is used, being the typical fractal dimension method of the curved surface. The fractal dimension of each band is calculated. We then apply the Continuum Removal method to normalize. A total of 35 bands are estimated by noise band with a threshold value that is obtained empirically. The hyperion hyperstpectral image collected on the EO-1 satellite is used in this study. The result delineates that noise bands of the hyperion image are able to be eliminated with the fractal dimension and Continuum Removal method.
This paper investigates the development of failure surfaces induced by an embankment on soft marine clay deposits and the characteristics of such surfaces through numerical simulations and its comparative study with monitoring results. It is well known that the factor of safety of embankment slopes is closely related to the vertical loading, including the height of the embankment. That is, an increase in the embankment height reduces the factor of safety. However, few studies have examined the relationship between the lateral movement of soft soil beneath the embankment and the factor of safety. In addition, no study has investigated the distribution of the pore pressure coefficient B value along the failure surface. This paper conducts a continuum analysis using finite difference methods to characterize the development of failure surfaces during embankment construction on soft marine clay deposits. The results of the continuum analysis for failure surfaces, stress, displacement, and the factor of safety can be used for the management of embankment construction. In failure mechanism, it has been validated that a large shear displacement causes change of stress and pore pressure along the failure surface. In addition, the pore pressure coefficient B value decreases along the failure surface as the embankment height increases. This means that the rate of change in stress is higher than that in pore pressure.
A theoretical energy-based model to capture the mechanical response of thick woven composite laminates, which are used in such applications as maritime or aerospace, to high-velocity impact was developed. The dependences of the impact phenomenon on material and geometrical parameters were analysed making use of the Vaschy-Buckingham Theorem to provide a non-dimensional framework. The model was divided in three different stages splitting the physical interpretation of the perforation process: a first where different dissipative mechanisms such as compression or shear plugging were considered, a second where a transference of linear momentum was assumed and a third where only friction took place. The model was validated against experimental data along with a 3D finite element model. The numerical simulations were used to validate some of the new hypotheses assumed in the theoretical model to provide a more accurate explanation of the phenomena taking place during a high-velocity impact.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.22
no.2
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pp.83-100
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1980
This study was intended to computerize the structural analysis of two-dimensional continuum by finite element method, and to provide a preparatory basis for more sophisticated and more generalized computer programs of this kind. A computer program, applicable to any shape of two-dimensional continuum, was formulated on the basis of 16-degree-of- freedom rectangular element. Various computational aspects pertaining to the implementation of finite element method were reviewed and settled in the course of programming. The validity of the program was checked through several case studies. To assess the accuracy and the convergence characteristics of the method, the results computed by the program were compared with solutions by other methods, namely the analytical Navier's method and the framework method. Through actual programming and analysis of the computed results, the following facts were recognized; 1) The stiffness matrix should necessarily be assembled in a condensed form in order to make it possible to discretize the continuum into practically adequate number of elements without using back-up storage. 2) For minimization of solution time, in-core solution of the equilibrium equation is essential. LDLT decomposition is recommended for stiffness matrices condensed by the compacted column storage scheme. 3) As for rectangular plates, the finite element method shows better performances both in the accuracy and in the rate of convergence than the framework method. As the number of elements increases, the error of the finite element method approaches around 1%. 4) Regardless of the structural shape, there is a uniform tendency in convergence characteristics dependent on the shape of element. Square elements show the best performance. 5) The accuracy of computation is independent of the interpolation function selected.
The present study examines the auditory boundary between Korean /o/ and /u/ on a synthesized vowel continuum by Chinese learners of Korean language. Preceding researches reported that the Chinese learners have difficulty pronouncing Korean monophthongs /o/ and /u/. In this experiment, a nine-step continuum was resynthesized using Praat from a vowel token from a recording of a male announcer who produced it in isolated form. F1 and F2 were synchronously shifted in equal steps in qtone (quarter tone), while F3 and F4 values were held constant for the entire stimuli. A forced choice identification task was performed by the advanced learners who speak Mandarin Chinese as their native language. Their experiment data were compared to a Korean native group. ROC (Receiver Operating Characteristic) analysis and logistic regression were performed to estimate the perceptual boundary. The result indicated the learner group has a different auditory criterion on the continuum from the Korean native group. This suggests that more importance should be placed on hearing and listening training in order to acquire the phoneme categories of the two vowels.
Soleimani, Iman;Beni, Yaghoub T.;Dehkordi, Mohsen B.
Structural Engineering and Mechanics
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v.65
no.1
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pp.33-41
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2018
In this paper, using modified couple stress theory in place of classical continuum theory, and using shell model in place of beam model, vibrational behavior of nanotubes is investigated via the finite element method. Accordingly classical continuum theory is unable to correctly compute stiffness and account for size effects in micro/nanostructures, higher order continuum theories such as modified couple stress theory have taken on great appeal. In the present work the mass-stiffness matrix for cylindrical shell element is developed, and by means of size-dependent finite element formulation is extended to more precisely account for nanotube vibration. In addition to modified couple stress cylindrical shell element, the classical cylindrical shell element can also be defined by setting length scale parameter to zero in the equations. The boundary condition were assumed simply supported at both ends and it is shown that the natural frequency of nano-scale shell using the modified coupled stress theory is larger than that using the classical shell theory and the results of Ansys. The results have indicated using the modified couple stress cylindrical shell element, the rigidity of the nano-shell is greater than that in the classical continuum theory, which results in increase in natural frequencies. Besides, in addition to reducing the number of elements required, the use of this type of element also increases convergence speed and accuracy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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