We present numerical results for inertialess elliptic particle suspensions in a Newtonian fluid subject to simple shear flow, using the sliding bi-periodic frame concept of Hwang et al. (2004) such that a particulate system with a small number of particles could represent a suspension system containing a large number of particles. We report the motion and configurational change of elliptic particles in simple shear flow and discuss the inter-relationship with the bulk shear stress behaviors through several example problems of a single, two-interacting and ten particle problems in a sliding bi-periodic frame. The main objective is to check the feasibility of the direct simulation method for understanding the relationship between the microstructural evolution and the bulk material behaviors.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.8
no.4
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pp.107-114
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2004
In this paper, a simple improved 8-node finite element for the finite element analysis of fibrous composite plates is presented by using the direct modification. We drive explicit expressions of shape functions for the 8-node element with bilinear element geometry, which is modified so that it can represent any quadratic fields in Cartesian coordinates. The refined first-order shear deformation theory is proposed, which results in parabolic through-thickness distribution of the transverse shear strains and stresses from the formulation based on the third-order shear deformation theory. It eliminates the need for shear correction factors in the first-order theory. This finite element is further improved by combined use of assumed strain, modified shape function, and refined first-order theory. To show the effectiveness of our simple modification on the 8-node finite elements, numerical studies are carried out the static, buckling and free vibration analysis of fibrous composite plates.
Several damages due to large displacement caused by liquefaction have been reported increasingly. Numerical procedures based on effective stress analysis are therefore necessary to predict liquefaction-induced deformation. In this paper, the fully coupled effective stress model called UBCSAND is proposed to simulate pore pressure rise due to earthquake or repeated loadings. The proposed model is a modification of the simple perfect elasto-plactic Mohr-Coulomb model, and can simulate a continuous yielding by mobilizing friction and dilation angles below failure state. Yield function is defined as the ratio of shear stress to mean normal stress. It is radial lines on stress space and has the same shape of Mohr-Columob failure envelope. Plastic hardening is based on an isotropic and kinematic hardening rule. The proposed model always causes plastic deformation during loading and reloading but it predicts elastic unloading. It is verified by capturing direct simple shear tests on loose Fraser River sand.
The falling ball viscometer has been widely used for measuring the viscosity of the Newtonian fluids because of its simple theory and low cost. The use of the falling ball viscometer for measuring the non-Newtonian viscosity has been of interest to rheologists for some years. The analysis of the experimental results in a falling ball viscometer rest on Stokes law which yields the terminal velocity for a sphere moving through an infinite medium of fluids. An attempt to use the falling ball viscometer to measure the non-Newtonian viscosity in the intermediate shear rate ranEe was sucessfully accomplished by combining the direct experimental obserbations with a simple analytical model for the average shear-stress and shear rate at, the surface of a sphere. In the experiments with highly viscoelastic polyacrylamide solutions the terminal velocity was observed to be dependent on the time interval between the dropping of successive balls. The time-dependent phenomenon was used to determine characteristic diffusion times of the concentrated solutions of polyacrylamide.
Based on an estimating method for post-cyclic strength and stiffness with cyclic triaxial tests proposed by one of the authors, cyclic Direct Simple Shear (DSS) tests were carried out to confirm whether the method can be adapted to DSS test on fine-grained soils: silty clay, plastic silt, and non-plastic silt. Results from cyclic and post-cyclic DSS tests were interpreted by a modified method as adopted for cyclic and post-cyclic triaxial tests. In particular, influence of plasticity index for fine-grained soils and initial static shear stress (ISSS) was emphasised. Findings obtained from the present study are: (i) liquefaction strength ratio of fine-grained soils decreases with decreasing plasticity index and increasing ISSS; (ii) plasticity index and ISSS did not markedly influence relation between equivalent cyclic stiffness and shear strain relations; (iii) the higher the plasticity index of fine-grained soils is, the less the strength ratio decreases with increment of a normalcies excess pore water pressure (NEPWP); (iv) stiffness ratio of plastic silt has large activity decrease rapidly with increasing excess pore water pressure; and (v) post-cyclic strength and stiffness results from DSS tests agree well with those predicted by the method modified from a procedure used for triaxial test results.
Offshore wind turbine foundations are subjected to wind, current and wave loadings. Hence, both static and cyclic behaviors of foundation's soil are important for the design of offshore wind turbine foundation. Undrained cyclic behaviors of soils depend upon the number of loading cycles, vertical effective stress, cyclic shear strain, relative density, and the combination of cyclic and average shear stresses. In order to evaluate the effect of average and cyclic shear stresses on the undrained cyclic behavior of marine silty sand, cyclic direct simple shear (CDSS) tests are performed with relative density of 85%, vertical effective stress of 200 and 300 kPa, and failure criteria of either 15% double amplitude cyclic shear strain (${\gamma}_{cyc}$) or permanent shear strain (${\gamma}_{p}$). The results are presented in the form of design graphs or contour diagrams. The undrained cyclic behavior of marine silty sand is found to be dependent on cyclic and average shear stresses and/or the combination of both shear stresses. It is found that when significant average shear stress exists the permanent or progressive shear strain is the govering failure criteria instead of cyclic shear strain.
In this paper the behavior of saturated sand deposits where liquefaction occurred before is studied for successive earthquakes. The relationship between past pore pressure generation and reliquefaction resistance is examined by using cyclic direct simple shear tests. If the soil sample in direct simple shear produced nearly 90% of excess pore pressure during first time loading, its liquefaction resistance increased during following cyclic loading after consolidation. However, a fully liquefied soil during first time loading has a densely packed condition but shows less liquefaction resistance for the following cyclic loading. UBCSAND model that can account for pore pressure change and stiffness loss of soil during shaking is used to analyze the centrifuge test simulating reliquefaction. The pore pressure rise during first time cyclic loading controls liquefaction resistance. The measurements from reliquefaction centrifuge test are compared with numerical predictions. By considering frequent earthquakes having occurred at the Southern Korea near Japan, such effective stress approach is necessary for reliquefaction study.
Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)/polycarbonate (PC) nanocomposite was prepared by direct melt mixing to investigate the effect of the shear rate on the surface resistivity of the nanocomposites. In this study, an experiment was carried out to observe the shear induced orientation of the MWCNT in the polymer matrix using a very simple melt flow indexer with various loads. The compression-molded, should be eliminated. MWCNT/PC nanocomposite sample exhibited lower percolation thresholds (at 0.8 vol%) and higher electrical conductivity values than those of samples extruded by capillary and injection molding. Shear induced orientation of MWCNT was observed via scanning electron microscopy, in the direction of flow in a PC matrix during the extrusion process. The surface resistivity rose with increasing shear rate, because of the breakdown of the network junctions between MWCNTs. For real applications such as injection molding and the extrusion process, the amount of the MWCNT in the composite should be carefully selected to adjust the electrical conductivity.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2004.03b
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pp.253-260
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2004
Many scholars and researchers has been studied for many kinds of soil characteristics, but a lot of part are still unsolved. Cyclic load-induced decreasing characteristics of strength and stiffness of soils are also well not known among them. To know that, the characteristics of five kinds of soils; clay, plastic and non-plastic silt, sand, and a weathered soil are compared with dividing two types as plastic or non-plastic soils through direct simple shear(DSS) test. From the results of DSS test, it is known that decreasing characteristics of strength and stiffness are different according to soil types. The strength of plastic and non-plastic soils increases with increment of plasticity index and decrement of volume decrease potential, respectively. And the decreasing stiffness of plastic and non-plastic soils increases with decrement of plasticity index and increment of volume decrease potential, respectively.
We present a short review for authors' previous work on direct numerical simulations for inertialess hard particle suspensions formulated either with a Newtonian fluid or with viscoelastic polymeric fluids to understand the microstructural evolution and the bulk material behavior. We employ two well-defined bi-periodic domain concepts such that a single cell problem with a small number of particles may represent a large number of repeated structures: one is the sliding bi-periodic frame for simple shear flow and the other is the extensional bi-periodic frame for planar elongational flow. For implicit treatment of hydrodynamic interaction between particle and fluid, we use the finite-element/fictitious-domain method similar to the distributed Lagrangian multiplier (DLM) method together with the rigid ring description. The bi-periodic boundary conditions can be effectively incorportated as constraint equations and implemented by Lagrangian multipliers. The bulk stress can be evaluated by simple boundary integrals of stresslets on the particle boundary in such formulations. Some 2-D example results are presented to show effects of the solid fraction and the particle configuration on the shear and elongational viscosity along with the micro-structural evolution for both particles and fluid. Effects of the fluid elasticity has been also presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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