Moradipour, Parviz;Chan, Tommy H.T.;Gallag, Chaminda
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.1
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pp.105-119
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2015
Structural damage detection using modal strain energy (MSE) is one of the most efficient and reliable structural health monitoring techniques. However, some of the existing MSE methods have been validated for special types of structures such as beams or steel truss bridges which demands improving the available methods. The purpose of this study is to improve an efficient modal strain energy method to detect and quantify the damage in complex structures at early stage of formation. In this paper, a modal strain energy method was mathematically developed and then numerically applied to a fixed-end beam and a three-story frame including single and multiple damage scenarios in absence and presence of up to five per cent noise. For each damage scenario, all mode shapes and natural frequencies of intact structures and the first five mode shapes of assumed damaged structures were obtained using STRAND7. The derived mode shapes of each intact and damaged structure at any damage scenario were then separately used in the improved formulation using MATLAB to detect the location and quantify the severity of damage as compared to those obtained from previous method. It was found that the improved method is more accurate, efficient and convergent than its predecessors. The outcomes of this study can be safely and inexpensively used for structural health monitoring to minimize the loss of lives and property by identifying the unforeseen structural damages.
In this study, the failure behavior of composite material in the biaxial and off-axis loading is studied based on a computational micromechanical model. The model is developed so that the combination of mechanical and thermal loading conditions can be considered in the analysis. The modified generalized plane strain assumption of the theory of elasticity is used for formulation of the micromechanical modeling of the problem. A truly meshless method is employed to solve the governing equation and predict the distribution of micro-stresses in the selected RVE of composite. The fiber matrix interface is assumed to be perfect until the interface failure occurs. The biaxial and off-axis loading of the SiC/Ti and Kevlar/Epoxy composite is studied. The failure envelopes of SiC/Ti and Kevlar/Epoxy composite in off-axis loading, biaxial transverse-transverse and axial-transverse loading are predicted based on the micromechanical approach. Various failure criteria are considered for fiber, matrix and fiber-matrix interface. Comparison of results with the available results in the litreture shows excellent agreement with experimental studies.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.12
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pp.2982-2994
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1993
Low-velocity impact responses of composite laminates are investigated using the finite element method based on various theories. In two-dimensional nonlinear analysis, a displacement field considering higher order shear deformation and large deflection of the laminate is assumed and a finite element formulation is developed using a C$^{o}$-continuous 9-node plate element. Also, three-dimensional linear analysis based on the infinitesimal strain-displacement assumptions is performed using 8-node brick elements with incompatible modes. A modified Hertzian contact law is incorporated into the finite element program to evaluate the impact force. In the time integration, the Newmark constant acceleration algorithm is used in conjuction with successive iterations within each time step. Numerical results from static analysis as well as the impact response analysis are presented including impact force histories, deflections, strains in the laminate. Impact responses according to two typical low-velocity impact conditions are compared each other.
Journal of the korean Society of Automotive Engineers
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v.12
no.6
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pp.48-59
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1990
A finite element program was developed using line elements for simulating the stretch/draw forming operation of an arbitrarily-shaped plane-strain section. An implicit, incremental, updated Lagrangian formulation is employed, introducing a minimum plastic work path assumption for each time step. Geometric and material nonlinearities are also considered within each time step. The finite element equation is based on the mesh-normal, which compatibly describes arbitrary tool surfaces and FEM meshes without depending on the explicit spatial derivatives of tool surfaces. The membrane approximation is adopted under the plane stress assumption. The sheet material is assumed to obey a rigid-viscoplastic constitutive law. The developed program was tested in the die-tryout of typical automotive inner panels. In order to determine a single friction coefficient and boundary length, FEM results and measurements of thinning for a stretched section of final die were compared. After finding analysis parameters, the sheet forming operations of original and final die designs were simulated. Excellent agreement between measured and computed thickness strains was obtained and the developed program was able to identify die designs which were rejected during die tryout.
In stochastic analysis, the randomness of the structural parameters is taken into consideration and the response variability is obtained in addition to the conventional (mean) response. In the present paper the structural response variability of plate structure is calculated using the weighted integral method and is compared with the results obtained by different methods. The stochastic field is assumed to be normally distributed and to have the homogeneity. The decomposition of strain-displacement matrix enabled us to extend the formulation to the stochastic analysis with the quadratic elements in the weighted integral method. A new auto-correlation function is derived considering the uncertainty of plate thickness. The results obtained in the numerical examples by two different methods, i.e., weighted integral method and Monte Carlo simulation, are in a close agreement. In the case of the variable plate thickness, the obtained results are in good agreement with those of Lawrence and Monte Carlo simulation.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.7
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pp.2661-2669
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2010
In this study, a finite element formulation based first-order shear deformation theory is developed for non-linear behaviors of laminated composite plates containing matrix cracking. The multi-directional stiffness degradation is developed for adopting the stiffness variation induced from matrix cracking, which is proposed by Duan and Yao. The matrix cracking can be expressed in terms of the variation of material properties, such as Young's modulus, shear modulus and Possion ratio of plates, and sequently it is possible to predict the variation of the local stiffness. Using the assumed natural strain method, the present shell element generates neither membrane nor shear locking behavior. Numerical examples demonstrate that the present element behaves quite satisfactorily either for the linear or geometrical nonlinear analysis of laminated composite plates. The results of laminated composite plates with matrix cracking may be the benchmark test for the non-linear analysis of damaged laminated composite plates.
Kolsek, Jerneja;Hozjan, Tomaz;Kroflic, Ales;Saje, Miran;Planinc, Igor
Steel and Composite Structures
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v.16
no.6
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pp.559-576
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2014
A new mathematical model and its finite element formulation for the non-linear stress-strain analysis of a planar beam strengthened with plates bolted or adhesively bonded to its lateral sides is presented. The connection between the layers is considered to be flexible in both the longitudinal and the transversal direction. The following assumptions are also adopted in the model: for each layer (i.e., the beam and the side plates) the geometrically linear and materially non-linear Bernoulli's beam theory is assumed, all of the layers are made of different homogeneous non-linear materials, the debonding of the beam from the side-plates due to, for example, a local buckling of the side plate, is prevented. The suitability of the theory is verified by the comparison of the present numerical results with experimental and numerical results from literature. The mechanical response arising from the theoretical model and its numerical formulation has been found realistic and the numerical model has been proven to be reliable and computationally effective. Finally, the present formulation is employed in the analysis of the effects of two different realizations of strengthening of a characteristic simply supported flexural beam (plates on the sides of the beam versus the tension-face plates). The analysis reveals that side plates efficiently enhance the bearing capacity of the flexural beam and can, in some cases, outperform the tensile-face plates in a lower loss of ductility, especially, if the connection between the beam and the side plates is sufficiently stiff.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.1
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pp.88-99
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1996
The explicit scheme for finite element analysis of sheet metal forming problems has been widely used for providing practical solutions since it improves the convergency problem, memory size and computational time especially for the case of complicated geometry and large element number. The explicit schemes in general use are based on the elastic-plastic modeling of material requiring large computataion time. In the present work, a basic formulation for rigid-plastic explicit finite element analysis of plain strain sheet metal forming problems has been proposed. The effect of some basic parameters involved in the dynamic analysis has been studied in detail. Thus, the effective ranges of parameters have been proposed for numerical simultion by the rigid-plastic explicit finite element method. A direct trial-and-error method is introduced to treat contact and friction. In computation, sheet material is assumed to possess normal anisotropy and rigid-plastic workhardening characteristics. In order to show the validity and effectiveness of the proposed explicit scheme, computations are carried out for cylindrical punch stretching and the computational results are compared with those by the implicit scheme as well as with a commercial code. The proposed rigid-plastic exlicit finite element method can be used as a robust and efficient computational method for analysis of sheet metal forming.
Microtubules (MTs) are the main part of the cytoskeleton in living eukaryotic cells. In this article, a mechanical model of MT buckling, considering the modified strain gradient theory, is analytically examined. The MT is assumed as a cylindrical beam and a new single variable trigonometric beam theory is developed in conjunction with a modified strain gradient model. The main benefit of the present formulation is shown in its new kinematic where we found only one unknown as the Euler-Bernoulli beam model, which is even less than the Timoshenko beam model. The governing equations are deduced by considering virtual work principle. The effectiveness of the present method is checked by comparing the obtained results with those reported by other higher shear deformation beam theory involving a higher number of unknowns. It is shown that microstructure-dependent response is more important when material length scale parameters are closer to the outer diameter of MTs. Also, it can be confirmed that influences of shear deformation become more considerable for smaller shear modulus and aspect ratios.
In this research, an effective computational technique is carried out for nonlinear and post-buckling analyses of cracked imperfect composite plates. The laminated plates are assumed to be moderately thick so that the analysis can be carried out based on the first-order shear deformation theory. Geometric non-linearity is introduced in the way of von-Karman assumptions for the strain-displacement equations. The Ritz technique is applied using Legendre polynomials for the primary variable approximations. The crack is modeled by partitioning the entire domain of the plates into several sub-plates and therefore the plate decomposition technique is implemented in this research. The penalty technique is used for imposing the interface continuity between the sub-plates. Different out-of-plane essential boundary conditions such as clamp, simply support or free conditions will be assumed in this research by defining the relevant displacement functions. For in-plane boundary conditions, lateral expansions of the unloaded edges are completely free while the loaded edges are assumed to move straight but restricted to move laterally. With the formulation presented here, the plates can be subjected to biaxial compressive loads, therefore a sensitivity analysis is performed with respect to the applied load direction, along the parallel or perpendicular to the crack axis. The integrals of potential energy are numerically computed using Gauss-Lobatto quadrature formulas to get adequate accuracy. Then, the obtained non-linear system of equations is solved by the Newton-Raphson method. Finally, the results are presented to show the influence of crack length, various locations of crack, load direction, boundary conditions and different values of initial imperfection on nonlinear and post-buckling behavior of laminates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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