An analytical solution procedure is described to estimate the developed passive lateral earth Pressures behind a vertical rigid retaintng wall rotating about its toe into a mass of cohesionless soil. Various stases of wall rotation, starting from an at-rest state to an initial Passive state to a full Passive state, are considered in the analysis. Condition of failure defined by a modified Mohr-coulomb criterion, together with equilibrium conditions, is used to obtain the necessary equations for the solution. Using methods of stress characteristics and numerical finite difference, a complete solution within and on the boundaries of the entire solution domain is made possible. The variations of the soil shear strength and the wall friction at various depths and stages of wall rotation are also taken into account in the analysis. The results predicted by the developed method of analysis are compared with those obtained from the experimental model tests on loose and dense sand. The comparisons show good agreements at various stages of retaining wall rotation Fin- ally, results of analytical parametric study are presented to demonstrate the effects of wall fric- tion on the resultant thrust and distribution of developed lateral earth pressures.
A recent progress on the prediction of the thermal stability of a nanostructured exchange-coupled trilayer is reviewed. An analytical/numerical combined method is used to calculate its magnetic energy barrier and hence the thermal stability parameter. An important feature of the method is the use of an analytical equation for the total energy that contains the magnetostatic fields. Under an assumption of the single domain state, the effective values of all the magnetostatic fields can be obtained by averaging their nonuniform values over the entire magnetic volume. In an equilibrium state, however, it is not easy to calculate the magnetostatic fields at the saddle point due to the absence of suitable methods of the accessing its magnetic configuration. This difficulty is overcome with the use of equations that link the magnetostatic fields at the saddle point and critical fields. Since the critical fields can readily be obtained by micromagnetic simulation, the present method should provide accurate results for the thermal stability of a nanostructured exchange-coupled trilayer.
Main cable configurations under final dead load and in the unloaded state and critical construction parameters (e.g. unstrained cable length, unstrained hanger lengths, and pre-offsets for tower saddles and splay saddles) are the core considerations in the design and construction control of a suspension bridge. For the purpose of accurate calculations, it is necessary to take into account the effects of cable strands over the anchor spans, arc-shaped saddle top, and tower top pre-uplift. In this paper, a method for calculating the cable configuration under final dead load over a main span, two side spans, and two anchor spans, coordinates of tangent points, and unstrained cable length are firstly developed using conditions for mechanical equilibrium and geometric relationships. Hanger tensile forces and unstrained hanger lengths are calculated by iteratively solving the equations governing hanger tensile forces and the cable configuration, which gives careful consideration to the effect of hanger weight. Next, equations for calculating the cable configuration in the unloaded state and pre-offsets of saddles are derived from the cable configuration under final dead load and the conditions for unstrained cable length to be conserved. The equations for the main span, two side spans and two anchor spans are then solved simultaneously. In the proposed methods, coupled nonlinear equations are solved by turning them into an unconstrained optimization problem, making the procedure simplified. The feasibility and validity of the proposed methods are demonstrated through a numerical example.
The human head is identified as the body region most frequently involved in life-threatening injuries. Extensive research based on experimental, analytical and numerical methods has sought to quantify the response of the human head to blunt impact in an attempt to explain the likely injury process. Blunt head impact arising from vehicular collisions, sporting injuries, and falls leads to relative motion between the brain and skull and an increase in contact and shear stresses in the meningeal region, thereby leading to traumatic brain injuries. In this paper the properties and material modeling of the subarachnoid space (SAS) as it relates to Traumatic Brain Injuries (TBI) is investigated. This was accomplished using a simplified local model and a validated 3D finite element model. First the material modeling of the trabeculae in the Subarachnoid Space (SAS) was investigated and validated, then the validated material property was used in a 3D head model. In addition, the strain in the brain due to an impact was investigated. From this work it was determined that the material property of the SAS is approximately E = 1150 Pa and that the strain in the brain, and thus the severity of TBI, is proportional to the applied impact velocity and is approximately a quadratic function. This study reveals that the choice of material behavior and properties of the SAS are significant factors in determining the strain in the brain and therefore the understanding of different types of head/brain injuries.
In this paper, a theoretical and numerical study on bridge simultaneous damage detection procedure for identifying both the system parameters and input excitation mass, are presented. This method is called 'Adjoint Variable Method' which is an iterative gradient-based model updating method based on the dynamic response sensitivity. The main advantage of proposed method is inclusion of an analytical method to augment the accuracy and speed of the solution. Moving mass is a model which takes into account the inertia effects of the vehicle. This interaction model is a time varying system and proposed method is capable of detecting damage in this variable system. Robustness of proposed method is illustrated by correctly detection of the location and extension of predetermined single, multiple and random damages in all ranges of speed and mass ratio of moving vehicle. A comparison study of common sensitivity and proposed method confirms its efficiency and performance improvement in sensitivity-based damage detection methods. Various sources of errors including the effects of measurement noise and initial assumption error in stability of method are also discussed.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.1
no.4
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pp.474-483
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2003
Belt drives provide freedom to position the motor relative to the load and this phenomenon enables reduction of the robot arm inertia. It also facilitates quick response when employed in robotics. Unfortunately, the flexible dynamics deteriorates the positioning accuracy. Therefore, there exists a trade-off between the simplicity of the control strategy to reject time varying disturbance caused by flexibility of the belt and precision in performance. Resonance of the system further leads to vibrations and poor accuracy in positioning. In this paper, accurate positioning of a belt driven mechanism using a feed-forward compensator under maximum acceleration and velocity constraints is proposed. The proposed method plans the desired trajectory and modifies it to compensate delay dynamics and vibration. Being an offline method, the proposed method could be easily and effectively adopted to the existing systems without any modification of the hardware setup. The effectiveness of the proposed method was proven by experiments carried out with an actual belt driven system. The accuracy of the simulation study based on numerical methods was also verified with the analytical solutions derived.
Drying shrinkage of concrete occurs due to the loss of moisture and thus, it is controlled by moisture diffusion process. On the other hand, the shrinkage causes cracking of concrete and affects its moisture diffusion properties. Therefore, moisture diffusion and drying shrinkage are two coupled processes and their interactive effect is important for the durability of concrete structures. In this paper, the two material parameters in the moisture diffusion equation, i.e., the moisture capacity and humidity diffusivity, are modified by two different methods to include the effect of drying shrinkage on the moisture diffusion. The effect of drying shrinkage on the humidity diffusivity is introduced by the scalar damage parameter. The effect of drying shrinkage on the moisture capacity is evaluated by an analytical model based on non-equilibrium thermodynamics and minimum potential energy principle for a two-phase composite. The mechanical part of drying shrinkage is modeled as an elastoplastic damage problem. The coupled problem of moisture diffusion and drying shrinkage is solved using a finite element method. The present model can predict that the drying shrinkage accelerates the moisture diffusion in concrete, and in turn, the accelerated drying process increases the shrinkage strain. The coupling effects are demonstrated by a numerical example.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.11
no.2
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pp.304-313
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1987
The behaviors of layers developed in a solar pond were studied by experimental and analytical methods. An experimental solar pond heated from below was constructed and operated at the net heat fluxes of 110 and 160W/m$^{2}$ and at the initial salt concentration gradients of 18.2, 27.3 and 36.4%/m. The thicknesses, growth rates, temperature and salt concentration in the top and the bottom mixed layers, the diffusive layer and the upper and the lower interfacial boundary layers were measured. The shadowgraph technique was used in order to observe all layer formation and an electroconductivity-temperature probe consisting of four electrodes was fabricated and used in measuring the salt concentration. Based on the experimental results, a model for the solar pond was developed and the governing equation and the assumptions were established. The governing equations were solved by the numerical method. The calculated results obtained from the analysis were compared with the experimental results.
Pendharkar, Umesh;Patel, K.A.;Chaudhary, Sandeep;Nagpal, A.K.
Steel and Composite Structures
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v.18
no.3
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pp.547-563
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2015
Deflection in a beam of a composite frame is a serviceability design criterion. This paper presents a methodology for rapid prediction of long-term mid-span deflections of beams in composite frames subjected to service load. Neural networks have been developed to predict the inelastic mid-span deflections in beams of frames (typically for 20 years, considering cracking, and time effects, i.e., creep and shrinkage in concrete) from the elastic moments and elastic mid-span deflections (neglecting cracking, and time effects). These models can be used for frames with any number of bays and stories. The training, validating, and testing data sets for the neural networks are generated using a hybrid analytical-numerical procedure of analysis. Multilayered feed-forward networks have been developed using sigmoid function as an activation function and the back propagation-learning algorithm for training. The proposed neural networks are validated for an example frame of different number of spans and stories and the errors are shown to be small. Sensitivity studies are carried out using the developed neural networks. These studies show the influence of variations of input parameters on the output parameter. The neural networks can be used in every day design as they enable rapid prediction of inelastic mid-span deflections with reasonable accuracy for practical purposes and require computational effort which is a fraction of that required for the available methods.
In this article, the free vibration analysis of annular sandwich plates with various functionally graded (FG) porous cores and carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) facesheets is investigated based on modified couple stress theory (MCST) and first order shear deformation theories (FSDT). The annular sandwich plate is composed of two face layers and a functionally graded porous core layer which contains different porosity distributions. Various approaches such as extended mixture rule (EMR), Eshelby-Mori-Tanaka (E-M-T), and Halpin-Tsai (H-T) are used to determine the effective material properties of microcomposite circular sandwich plate. The governing equations of motion are extracted by using Hamilton's principle and FSDT. A Ritz method has been utilized to calculate the natural frequency of an annular sandwich plate. The effects of material length scale parameters, boundary conditions, aspect and inner-outer radius ratios, FG porous distributions, pore compressibility and volume fractions of CNTs are considered. The results are obtained by Ritz solutions that can be served as benchmark data to validate their numerical and analytical methods in the future work and also in solid-state physics, materials science, and micro-electro-mechanical devices.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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