In this paper, a simple and accurate finite element model coupled to quasi-brittle damage law able to describe the multiple cracks initiation and their progressive propagation is developed in order to predict the complete force-displacement curve and the fracture pattern of human proximal femur under quasi-static load. The motivation of this work was to propose a simple and practical FE model with a good compromise between complexity and accuracy of the simulation considering a limited number of model parameters that can predict proximal femur fracture more accurately and physically than the fracture criteria based models. Different damage laws for cortical and trabecular bone are proposed based on experimental results to describe the inelastic damage accumulation under the excessive load. When the damage parameter reaches its critical value inside an element of the mesh, its stiffness matrix is set to zero leading to the redistribution of the stress state in the vicinity of the fractured zone (crack initiation). Once a crack is initiated, the propagation direction is simulated by the propagation of the broken elements of the mesh. To illustrate the potential of the proposed approach, the left femur of a male (age 61) previously investigated by Keyak and Falkinstein, 2003 (Model B: male, age 61) was simulated till complete fracture under one-legged stance quasi-static load. The proposed finite element model leads to more realistic and precise results concerning the shape of the force-displacement curve (yielding and fracturing) and the profile of the fractured edge.
A new finite element model is formulated and implemented in this analysis to assess the free vibration and elastic stability behaviors of functionally graded carbon nanotube-reinforced (FG-CNTRC) nanocomposite beams. The developed model is founded on an efficient Quasi-3D shear deformation beam theory. The traction-free boundary conditions are guaranteed with no shear correction factors by integrating the hyperbolic warping function for transverse shear deformation and stress through the thickness coordinate. The suggested two-node beam element has four degrees of freedom per node, and the discrete model maintains inter-element continuity by using both C1 and C0 continuities for the kinematics variables. As a result, the isoparametric coordinate system is used to produce the elementary stiffness, geometric, and mass matrices to improve the current formulation. The weak form of the variational principle is used to generate the governing equations. Following the distribution patterns and CNT volume fraction, the mechanical characteristics of used FG-CNTRC beams change gradually over the beam thickness. The high performance of the present beam element is demonstrated by comparing current results to those predicted by previous theories and solution procedures. In addition, detailed numerical research is conducted to investigate the effects of boundary conditions, distribution patterns, and slenderness ratio on the free vibration and buckling responses of FG-CNTRC beams. An appropriate reinforcement technique based on optimum distribution patterns can significantly improve computational efficiencies. The developed finite element beam model is computationally efficient and can be explored as a helpful design and optimization tool for CNT-reinforced nanocomposite structures.
Since quasi-brittle materials like concrete show strain localization behavior accompanied by strain softening, a numerical drawback such as mesh sensitivity is appeared in the finite element analysis. In this paper, the so-called homogenized crack model which was introduced for three dimensional finite element analysis of fracture in concrete is studied for the mesh size dependence problem in fracture analysis. A homogenized crack element having a velocity discontinuity. is averaged to remove the mesh sensitivity in finite element analysis of concrete fracture. Numerical examples show that softening behavior of concrete fracture is successfully predicted without mesh sensitivity using the homogenized crack model.
This paper presents the Campbell diagram analysis of the rotordynamic system using the full order model (FOM) and the reduced order model (ROM) techniques to determine the critical speeds, identify the stability and reduce the computational time. Due to the spin-speed-dependent matrices (e.g., centrifugal stiffening matrix), several model order reduction (MOR) techniques may be considered, such as the modal superposition (MS) method and the Krylov subspace-based MOR techniques (e.g., Ritz vector (RV), quasi-static Ritz vector (QSRV), multifrequency quasi-static Ritz vector (MQSRV), multifrequency/ multi-spin-speed quasi-static Ritz vector (MMQSRV) and the combined Ritz vector & modal superposition (RV+MS) methods). The proposed MMQSRV method in this study is extended from the MQSRV method by incorporating the rotational-speed-dependent stiffness matrices into the Krylov subspace during the MOR process. Thus, the objective of this note is to respond to the question of whether to use the MS method or the Krylov subspace-based MOR technique in establishing the Campbell diagram of the shaft-disc-blade assembly systems in three-dimensional (3D) finite element analysis (FEA). The Campbell diagrams produced by the FOM and various MOR methods are presented and discussed thoroughly by computing the norm of relative errors (ER). It is found that the RV and the MS methods are dominant at low and high rotating speeds, respectively. More precisely, as the spinning velocity becomes large, the calculated ER produced by the RV method is significantly increased; in contrast, the ER produced by the MS method is smaller and more consistent. From a computational point of view, the MORs have substantially reduced the time computing considerably compared to the FOM. Additionally, the verification of the 3D FE rotordynamic model is also provided and found to be in close agreement with the existing solutions.
Finite element analysis is one of the most used tools for studying femoral neck fracture. Nerveless, consensus concerning either the choice of material characteristics, damage law and /or geometric models (linear on nonlinear) remains unreached. In this work, we propose a numerical quasi-brittle damage model to describe the behavior of the proximal femur associated with two methods to evaluate the Young modulus. Eight proximal femur finite elements models were constructed from CT scan data (4 donors: 3 women; 1 man). The numerical computations showed a good agreement between the numerical curves (load - displacement) and the experimental ones. A very encouraging result is obtained when a comparison is made between the computed fracture loads and the experimental ones ($R^2=0.825$, Relative error =6.49%). All specific numerical computation provided very fair qualitative matches with the fracture patterns for the sideway fall simulation. Finally, the comparative study based on 32 simulations adopting linear and nonlinear meshing led to the conclusion that the quantitatively results are improved when a nonlinear mesh is used.
In this paper a 3-D continuum damage mechanics formulation for composite laminates and its implementation into a finite element model that is based on the layer-wise laminate plate theory are described. In the damage formulation, each composite ply is treated as a homogeneous orthotropic material exhibiting orthotropic damage in the form of distributed microscopic cracks that are normal to the three principal material directions. The progressive damage of different angle ply composite laminates under quasi-static loading that exhibit the free edge effects are investigated. The effects of various numerical modeling parameters on the progressive damage response are investigated. It will be shown that the dominant damage mechanism in the lay-ups of [+30/-30]s and [+45/-45]s is matrix cracking. However, the lay-up of [+15/-15] may be delaminated in the vicinity of the edges and at $+{\theta}/-{\theta}$ layers interfaces.
Anchor channels are commonly used for façade, tunnel, and structural connections. These connections encounter various types of loadings during their service life, including high rate or impact loading. For anchor channels that are placed close and parallel to an edge and loaded in shear perpendicular to and towards the edge, the failure is often governed by concrete edge breakout. This study investigates the transverse shear behavior of the anchor channels under quasi-static and high rate loadings using a numerical approach (3D finite element analysis) utilizing a rate-sensitive microplane model for concrete as constitutive law. Following the validation of the numerical model against a test performed under quasi-static loading, the rate-sensitive static, and rate-sensitive dynamic analyses are performed for various displacement loading rates varying from moderately high to impact. The increment in resistance due to the high loading rate is evaluated using the dynamic increase factor (DIF). Furthermore, it is shown that the failure mode of the anchor channel changes from global concrete edge failure to local concrete crushing due to the activation of structural inertia at high displacement loading rates. The research outcomes could be valuable for application in various types of connection systems where a high rate of loading is expected.
In order to enhance torque density of five-phase permanent magnetic synchronous motor with third harmonic injection for electric vehicles (EVs) applications, optimum seeking method for injection ratio of third harmonic was proposed adopting theoretical derivation and finite element analysis method, under the constraint of same amplitude for current and air-gap flux. By five-dimension space vector decomposition, the mathematic model in two orthogonal space plane, $d_1-q_1$ and $d_3-q_3$, was deduced. And the corresponding dual-plane vector control method was accomplished to independently control fundamental and third harmonic currents in each vector plane. A five-phase PMSM prototype with quasi-trapezoidal flux pattern and its fivephase voltage source inverter were designed. Also, the dual-plane vector control was digitized in a single XC3S1200E FPGA. Simulation and experimental results prove that using the proposed optimum seeking method, the torque density of five-phase PMSM is enhanced by 20%, without any increase of power converter capacity, machine size and iron core saturation.
Bessaim, Aicha;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bernard, Fabrice;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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제56권2호
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pp.223-240
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2015
In this work, a nonlocal quasi-3D trigonometric plate theory for micro/nanoscale plates is proposed. In order to introduce the size influences, the Eringen's nonlocal elasticity theory is utilized. In addition, the theory considers both shear deformation and thickness stretching effects by a trigonometric variation of all displacements within the thickness, and respects the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the plate without considering the shear correction factor. The advantage of this theory is that, in addition to considering the small scale and thickness stretching effects (${\varepsilon}_z{\neq}0$), the displacement field is modelled with only 5 unknowns as the first order shear deformation theory (FSDT). Analytical solutions for vibration of simply supported micro/nanoscale plates are illustrated, and the computed results are compared with the available solutions in the literature and finite element model using ABAQUS software package. The influences of the nonlocal parameter, shear deformation and thickness stretching on the vibration behaviors of the micro/nanoscale plates are examined.
The objective of this research work is to investigate into the three-dimensional temperature distribution using quasi steady-state heat transfer analysis fur the case of the laser cutting of CSP 1N sheet using high power CW Nd:YAG laser. The laser heat source is assumed as a volumetric heat source with a gaussian heat distribution in a plane. Through the comparison of the results of analyses with those of the experiments, the optimal finite element model is obtained. Finally, characteristics of the three-dimensional heat transfer and temperature distribution have been estimated by the optimal finite element model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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