In the present work, the elasto-viscoplastic behavior, interactions between grains, and the texture evolution in polycrystalline materials subjected to finite deformations are modeled using a multiscale analysis procedure within a finite element framework. Computational homogenization is used to relate the grain (meso) scale to the macroscale. Specifically, a polycrystal is modeled by a material representative volume element (RVE) consisting of an aggregate of grains, and a periodic distribution of such unit cells is considered to describe material behavior locally on the macroscale. The elastic behavior is defined by a hyperelastic potential, and the viscoplastic response is modeled by a simple power law complemented by a work hardening equation. The finite element framework is based on a Lagrangian formulation, where a kinematic split of the deformation gradient into volume preserving and volumetric parts together with a three-field form of the Hu-Washizu variational principle is adopted to create a stable finite element method. Examples involving simple deformations of an aluminum alloy are modeled to predict inhomogeneous fields on the grain scale, and the macroscopic effective stress-strain curve and texture evolution are compared to those obtained using both upper and lower bound models.
This paper proposes an extended model evaluation method that considers not only the model performance but also the model structure and parameter uncertainties in hydrologic modeling. A simple reservoir model (SFM) and distributed kinematic wave models (KWMSS1 and KWMSS2 using topography from 250-m, 500-m, and 1-km digital elevation models) were developed and assessed by three evaluative criteria for model performance, model structural stability, and parameter identifiability. All the models provided acceptable performance in terms of a global response, but the simpler SFM and KWMSS1 could not accurately represent the local behaviors of hydrographs. Moreover, SFM and KWMSS1 were structurally unstable; their performance was sensitive to the applied objective functions. On the other hand, the most sophisticated model, KWMSS2, performed well, satisfying both global and local behaviors. KMSS2 also showed good structural stability, reproducing hydrographs regardless of the applied objective functions; however, superior parameter identifiability was not guaranteed. A number of parameter sets could result in indistinguishable hydrographs. This result indicates that while making hydrologic models complex increases its performance accuracy and reduces its structural uncertainty, the model is likely to suffer from parameter uncertainty.
Ultra-precision positioning systems basically require high natural frequency and sufficient workspace. To cope with this requirement, flexure hinge mechanisms have been proposed. However, previous designs are hard to satisfy the functional requirements of the system due to difficulty in modeling and optimizing process applying an independent axiomatic design. Therefore, this paper proposes a new design and design-order based on semi-coupled axiomatic design. A planar 3 DOF parallel type micro mechanism is chosen as an exemplary device. Based on preliminary kinematic analysis and dynamic modeling of the system, an optimal design has been carried out. To check the effectiveness of the optimal parameters obtained from theoretical approach, simulation is performed by FEM. The simulation result shows that a natural frequency of 200.53Hz and a workspace of $2000{\mu}m{\times}2000{\mu}m$ can be ensured, which is in very close agreement with the specified goal of design.
A grid-based KIneMatic wave soil-water EROsion and deposition Model(KIMEROM) that predicts temporal variation and spatial distribution of sediment transport in a watershed was developed. This model uses ASCII-formatted map data supported from the regular gridded map of GRASS (U.S. Army CERL, 1993)-GIS(Geographic Information Systems), and generates the distributed results by ASCII-formatted map data. For hydrologic process, the kinematic wave equation and Darcy equation were used to simulated surface and subsurface flow, respectively (Kim, 1998; Kim et al., 1998). For soil erosion process, the physically-based soil erosion concept by Rose and Hairsine (1988) was used to simulate soil-water erosion and deposition. The model adopts single overland flowpath algorithm and simulates surface and subsurface water depth, and sediment concentration at each grid element for a given time increment. The model was tested to a 162.3 $\textrm{km}^2$ watershed located in the tideland reclaimed ares of South Korea. After the hydrologic calibration for two storm events in 1999, the results of sediment transport were presented for the same storm events. The results of temporal variation and spatial distribution of overland flow and sediment areas are shown using GRASS.
Concentric-tube continuum robots have formed an active field of research in robotics because of their manipulative exquisiteness essential to facilitate delicate surgical procedures. A set of concentric tubes with designed initial curvatures comprises a robot whose workspace can be controlled by relative translations and rotations of the tubes. Kinematic models have been widely used to predict the movement of the robot, but they are incapable of describing its time-dependent hysteretic behaviors accurately particularly when snapping occurs. To overcome this limitation, here we present a finite element modeling approach to investigating the dynamics of concentric-tube continuum robots. In our model, each tube is discretized using MITC shell elements and its transient responses are computed implicitly using the Bathe time integration method. Inter-tube contacts, the key actuation mechanism of this robot, are modeled using the constraint function method with contact damping to capture the hysteresis in robot trajectories. Performance of the proposed method is demonstrated by analyzing three specifications of two-tube robots including the one exhibiting snapping phenomena while the method can be applied to multiple-tube robots as well.
In this paper, the magnetic field influence on the wave propagation characteristics of graphene nanosheets is examined within the frame work of a two-variable plate theory. The small-scale effect is taken into consideration based on the nonlocal strain gradient theory. For more accurate analysis of graphene sheets, the proposed theory contains two scale parameters related to the nonlocal and strain gradient effects. A derivation of the differential equation is conducted, employing extended principle of Hamilton and solved my means of analytical solution. A refined trigonometric two-variable plate theory is employed in Kinematic relations. The scattering relation of wave propagation in solid bodies which captures the relation of wave number and the resultant frequency is also investigated. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling can provide accurate wave dispersion results of the graphene nanosheets as compared to some cases in the literature. It is shown that the wave dispersion characteristics of graphene sheets are influenced by magnetic field, elastic foundation and nonlocal parameters. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of graphene nanosheets.
Variable displacement swash plate piston pump analysis requires electric, hydraulics and dynamics which are similar to the one's incorporated in the complex fluid power and mechanical systems. The main variable capacity for the swash plate piston pumps, hydraulics or simple kinematic (swash plate degree, piston displacement) models are analyzed using AMESim, a multi-physics analysis program. AMESim is a multi-physics hydraulic analysis program that is considered good for the environment but not appropriate for environmental analysis for multibody dynamics. In this study, the analytical model of the swash plate type hydraulic piston pump variable capacity is modeled by combining the hydraulic part and the dynamic part through co-simulation of multibody dynamics program (Virtual.lab Motion) and multi-physics analysis (AMESim). This paper describes the whole modeling analysis method on the mechanical analysis of the multi-body dynamics program and how the hydraulic analysis in multi-physics analysis program works. This paper also presents a methodology for analyzing complex fluid power systems.
Sk. Tahmid Muhatashin Fuyad;Md Abdullah Al Bari;Md. Makfidunnabi;H.M. Zulqar Nain;Mehmet Emin Ozdemir;Murat Yaylaci
Structural Engineering and Mechanics
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제89권1호
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pp.23-31
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2024
Ratcheting is the cyclic buildup of inelastic strain on a structure resulting from a combination of primary and secondary cyclic stress. It can lead to excessive plastic deformation, incremental collapse, or fatigue. Ratcheting has been numerically investigated on a cantilever beam, considering the current study's primary and secondary bending loads. In addition, the effect of input frequency on the onset of ratcheting has been investigated. The non-linear dynamic elastic-plastic approach has been utilized. Analogous to Yamashita's bending-bending ratchet diagram, a non-dimensional ratchet diagram with a frequency effect is proposed. The result presents that the secondary stress values fall sequentially with the increase of primary stress values. Moreover, a displacement amplification factor graph is also established to explain the effect of frequency on ratchet occurrence conditions. In terms of frequency effect, it has been observed that the lower frequency (0.25 times the natural frequency) was more detrimental for ratchet occurrence conditions than the higher frequency (2 times the natural frequency) due to the effect of dynamic displacement. Finally, the effect of material modeling of ratcheting behavior on a beam is shown using different hardening coefficients of kinematic hardening material modeling.
Using flexible multibody system dynamic method, the rigid-flexible coupling multibody dynamic analysis model of the drum brake system was developed, and the kinematic and dynamic simulation of the system was processed as its object of study. Simulations show that the friction will increase with the dynamic friction coefficient, but high dynamic friction coefficient will cause the abnormal vibration and worsen the stability of the brake system, even the stability of the whole automobile. The modeling of flexible multi-body can effectively analyze and solve complex three-dimensional dynamic subjects of brake system and evaluate brake capability. Further research and study on this basis will result in a convenient and effective solution that can be much helpful to study, design and development of the brake system.
In this study, to evaluate the collision behaviors of the navigating vessel and the dolphin protective system protecting the substructures of bridges, the numerical simulation was performed. The analysis model of vessel bow that the plastic deformations are concentrated was composed by shell elements, and the main body of vessel was modeled by beam elements to represent the mass distribution and the change of potential energy. The material model reflecting the confining condition was used for the modeling of the filling soil of dolphin system. The surrounding soil of the dolphin system was modeled as nonlinear springs. As results, it is verified that the dolphin system can adequately dissipate the kinematic energy of the collision vessel. The surrounding soil of the dolphin system is able to resist the collision force of the vessel. And the major energy dissipation mechanism of collision energy is the plastic deformation of the vessel bow and the dolphin system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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