Moreno-Navarro, Pablo;Ibrahimbegovic, Adnan;Perez-Aparicio, Jose L.
Coupled systems mechanics
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v.7
no.1
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pp.5-25
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2018
A fully-coupled thermodynamic-based transient finite element formulation is proposed in this article for electric, magnetic, thermal and mechanic fields interactions limited to the linear case. The governing equations are obtained from conservation principles for both electric and magnetic flux, momentum and energy. A full-interaction among different fields is defined through Helmholtz free-energy potential, which provides that the constitutive equations for corresponding dual variables can be derived consistently. Although the behavior of the material is linear, the coupled interactions with the other fields are not considered limited to the linear case. The implementation is carried out in a research version of the research computer code FEAP by using 8-node isoparametric 3D solid elements. A range of numerical examples are run with the proposed element, from the relatively simple cases of piezoelectric, piezomagnetic, thermoelastic to more complicated combined coupled cases such as piezo-pyro-electric, or piezo-electro-magnetic. In this paper, some of those interactions are illustrated and discussed for a simple geometry.
We present in this work a coupled phenomenological chemo-mechanical model that represents the degradation of concrete-like materials. The chemical behaviour is described by the nowadays well known simplified calcium leaching approach. And the mechanical damage behaviour is described by a continuum damage model which involves the gradient of the damage quantity. The coupled nonlinear problem at hand is addressed within the context of the finite element method. For the equation governing the calcium dissolution-diffusion part of the problem, special care is taken to treat the highly nonlinear calcium conductivity and solid calcium functions. The algorithmic design is based on a Newton-type iterative scheme where use is made of a recently proposed relaxed linearization procedure. And for the equation governing the damage part of the problem, an augmented Lagrangian formulation is used to take into account the damage irreversibility constraint. Finally, numerical simulations are compared with experimental results on cement paste.
The state-based peridynamics is considered a nonlocal method in which the equations of motion utilize integral form as opposed to the partial differential equations in the classical continuum mechanics. As a result, the enforcement of boundary conditions in solid mechanics analyses cannot follow the standard way as in a classical continuum theory. In this paper, a new approach for the boundary condition enforcement in the state-based peridynamic formulation is presented. The new method is first formulated based on a convex kernel approximation to restore the Kronecker-delta property on the boundary in 1-D case. The convex kernel approximation is further localized near the boundary to meet the condition that recovers the correct boundary particle forces. The new formulation is extended to the two-dimensional problem and is shown to reserve the conservation of linear momentum and angular momentum. Three numerical benchmarks are provided to demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed approach.
We present an improved Lagrangian vortex method in 2-D incompressible unsteady viscous flows, which is based on a mesh-free integral approach of the velocity-vorticity formulation. Vorticity fields are represented by discrete vortex blobs that are updated by the Lagrangian vorticity transport with the particle strength exchange scheme. Velocity fields are expressed in a form of the Helmholtz decomposition, which are calculated by a fast algorithm of the Biot-Savart integration with a smoothed kernel and by a well-established panel method. No-slip condition is enforced through viscous diffusion of vorticity from a solid body into field. The vorticity flux is determined in such a way that spurious slip velocity vanishes. Through the comparison with the existing finite volume scheme for the transient vortical flows around an impulsively started cylinder at Reynolds number Re=550, we would obtain a more accurate scheme for vortex methods in complicated flows.
Flurbiprofen, one of potent nonsteroidal antiinflammatory drugs, has several systemic side effects due to dose dumping effect following oral administration of its conventional solid dosage forms. To reduce these side effects and to sustain therapeutic concentration of the drug, matrix tablets of flurbiprofen were prepared and evaluated for sustained release from the tablets. The matrix tablets of flurbiprofen were prepared with Eudragit, Pluronic, (anhydrous) lactose and colloidal silicon dioxide employing two different preparation methods, wet granulation and direct compression. The dissolution rates of the tablets were evaluated using KP 2 method. Formulation factors that affected dissolution rates of flurbiprofen were the type and content of Eudragit, the type and content of Pluronic, and the tablet preparation method. Several formulations of the matrix tablets showed dissolution patterns close to the simulated profile using pharmacokinetic parameters of flurbiprofen.
A three-dimensional constitutive modeling for reinforced concrete is presented for finite element nonlinear analysis of reinforced concrete. The targets of interest to the authors are columns confined by lateral steel hoops, RC thin shells subjected to combined in-plane and out-of-plane actions and massive structures of three-dimensional (3D) extent in shear. The elasto-plastic and continuum fracture law is applied to pre-cracked solid concrete. For post cracking formulation, fixed multi-directional smeared crack model is adopted for RC domains of 3D geometry subjected to monotonic and reversed cyclic actions. The authors propose a new scheme of decomposing stress strain fields into sub-planes on which 2D constitutive laws can be applied. The proposed model for 3D reinforced concrete is experimentally verified in both member and structural levels under cyclic actions.
The state-based peridynamics is considered a nonlocal method in which the equations of motion utilize integral form as opposed to the partial differential equations in the classical continuum mechanics. As a result, the enforcement of boundary conditions in solid mechanics analyses cannot follow the standard way as in a classical continuum theory. In this paper, a new approach for the boundary condition enforcement in the state-based peridynamic formulation is presented. The new method is first formulated based on a convex kernel approximation to restore the Kronecker-delta property on the boundary in 1-D case. The convex kernel approximation is further localized near the boundary to meet the condition that recovers the correct boundary particle forces. The new formulation is extended to the two-dimensional problem and is shown to reserve the conservation of linear momentum and angular momentum. Three numerical benchmarks are provided to demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed approach.
The prediction of hydrate pellet decomposition characteristics is required to design the regasification process of GTS (gas to solid) technology, which is considered as an economic alternative for LNG technology to transport natural gas produced from small and stranded gas wells. Mathematical model based on the conservation principles, the phase equilibrium relation, equation of gas state and phase change kinetics was set up and numerical solution procedure employing volume averaged fixed grid formulation and extended enthalpy method are implemented. Initially, porous methane hydrate pellet is at uniform temperature and pressure within hydrate stable region. The pressure starts to decrease with a fixed rate down to the final pressure and is kept constant afterwards while the bounding surface of pellet is heated by convection. The predicted convective heat and mass transfer accompanied by the decomposed gas flow through hydrate/ice solid matrix is reported focused on the comparison of spherical and cylindrical pellets having the same effective radius.
A graded harmonic finite element formulation based on three-dimensional elasticity theory is developed for the structural analysis of 2D functionally graded axisymmetric structures. The mechanical properties of the axisymmetric solid structures composed of two different metals and ceramics are assumed to vary in radial and axial directions according to power law variations as a function of the volume fractions of the constituents. The material properties of the graded element are calculated at the integration points. Effects of material distribution profile on the static deformation, natural frequency and dynamic response analyses of particular axisymmetric solid structures are investigated by changing the power law exponents. It is observed that the displacements, stresses and natural frequencies are severely affected by the variation of axial and radial power law exponents. Good accuracy is obtained with fewer elements in the present study since Fourier series expansion eliminates the need of finite element mesh in circumferential direction and continuous material property distribution within the elements improves accuracy without refining the mesh size in axial and radial directions.
A level-set (LS) method is presented for computation of boiling phenomena which involve liquid-vapor interfaces that evolve, merge and break up in time, the flow and temperature fields influenced by the interfacial motion, and the microlayer that forms between the solid and the vapor phase near the wall. The LS formulation for tracking the phase interfaces is modified to include the effects of phase change on the liquid-vapor interface and contact angle on the liquid-vapor-solid interline. The LS method can calculate an interface curvature accurately by using a smooth distance function. Also, it is straightforward to implement for two-phase flows in complex geometries. The numerical method is applied for analysis of nucleate boiling on a horizontal surface and film boiling on a horizontal cylinder.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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