Sarfaraz, Sadiq M.;Rosic, Bojana V.;Matthies, Hermann G.;Ibrahimbegovic, Adnan
Coupled systems mechanics
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v.7
no.2
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pp.211-232
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2018
In this work we present an upscaling technique for multi-scale computations based on a stochastic model calibration technique. We consider a coarse-scale continuum material model described in the framework of generalized standard materials. The model parameters are considered uncertain, and are determined in a Bayesian framework for the given fine scale data in a form of stored energy and dissipation potential. The proposed stochastic upscaling approach is independent w.r.t. the choice of models on coarse and fine scales. Simple numerical examples are shown to demonstrate the ability of the proposed approach to calibrate coarse scale elastic and inelastic material parameters.
Hosseini-Toudeshky, H.;Farrokhabadi, A.;Mohammadi, B.
Structural Engineering and Mechanics
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v.43
no.5
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pp.657-678
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2012
The mismatch of ply orientations in composite laminates can cause high interlaminar stress concentrations near the free edges. Evaluation of these interlaminar stresses and their role in the progressive damage analysis of laminates is desirable. Recently, the authors developed a new method to relate the physically based micromechanics approach with the meso-scale CDM considering matrix cracking and induced delamination. In this paper, the developed method is applied for the analysis of edge effects in various angle-ply laminates such as $[10/-10]_{2s}$, $[30/-30]_{2s}$ and $[45/-45]_{2s}$ and comparing the results with available traditional CDM and experimental results. It is shown that the obtained stress-strain behaviors of laminates are in good agreement with the available experimental results and even in better agreement than the traditional CDM results. Variations of the stresses and stiffness components through the laminate thickness and near the free edges are also computed and compared with the available CDM results.
Tuned mass dampers (TMDs) are passive damping devices widely employed to mitigate the pedestrian-induced vibrations on footbridges. The TMD design must ensure an adequate performance during the overall life-cycle of the structure. Although the TMD is initially adjusted to match the natural frequency of the vibration mode which needs to be controlled, its design must further take into account the change of the modal parameters of the footbridge due to the modification of the operational and environmental conditions. For this purpose, a motion-based design optimization method is proposed and implemented herein, aimed at ensuring the adequate behavior of footbridges under uncertainty conditions. The uncertainty associated with the variation of such modal parameters is simulated by a probabilistic approach based on the results of previous research reported in literature. The pedestrian action is modelled according to the recommendations of the Synpex guidelines. A comparison among the TMD parameters obtained considering different design criteria, design requirements and uncertainty levels is performed. To illustrate the proposed approach, a benchmark footbridge is considered. Results show both which is the most adequate design criterion to control the pedestrian-induced vibrations on the footbridge and the influence of the design requirements and the uncertainty level in the final TMD design.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.27
no.12
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pp.767-775
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2014
New material design has obtained tremendous attention in material science community as the performance of new materials, especially in nano length scale, could be greatly improved to applied in modern industry. In certain conditions limiting experimental synthesis of these new materials, new approach by computer simulation has been proposed to be applied, being able to save time and cost. Recent development of computer systems with high speed, large memory, and parallel algorithms enables to analyze individual atoms using first principle calculation to predict quantum phenomena. Beyond the quantum level calculations, mesoscopic scale and continuum limit can be addressed either individually or together as a multi-scale approach. In this article, we introduced current endeavors on material design using analytical theory and computer simulations in multi-length scales and on multi-physical properties. Some of the physical phenomena was shown to be interconnected via a cross-link rule called 'cross-property relation'. It is suggested that the computer simulation approach by multi-physics analysis can be efficiently applied to design new materials for multi-functional characteristics.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.1
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pp.37-43
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2010
In this paper, a reliability-based design optimization is developed for the topology design of linear structures using a performance measure approach. Spatial domain is discretized using three dimensional Reissner-Mindlin plate elements and design variable is taken as the material property of each element. A continuum based adjoint variable method is employed for the efficient computation of sensitivity with respect to the design and random variables. The performance measure approach of RBDO is employed to evaluate the probabilistic constraints. The topology optimizationproblem is formulated to have probabilistic displacement constraints. The uncertainties such as material property and external loads are considered. Numerical examples show that the developed topology optimization method could effectively yield a reliable design, comparing with the other methods such as deterministic, safety factor, and worst case approaches.
From the equation of motion of a "bare" non-uniform beam (without any concentrated elements), an eigenfunction in term of four unknown integration constants can be obtained. When the last eigenfunction is substituted into the three compatible equations, one force-equilibrium equation, one governing equation for each attaching point of the concentrated element, and the boundary equations for the two ends of the beam, a matrix equation of the form [B]{C} = {0} is obtained. The solution of |B| = 0 (where ${\mid}{\cdot}{\mid}$ denotes a determinant) will give the "exact" natural frequencies of the "constrained" beam (carrying any number of point masses or/and concentrated springs) and the substitution of each corresponding values of {C} into the associated eigenfunction for each attaching point will determine the corresponding mode shapes. Since the order of [B] is 4n + 4, where n is the total number of point masses and concentrated springs, the "explicit" mathematical expression for the existing approach becomes lengthily intractable if n > 2. The "numerical assembly method"(NAM) introduced in this paper aims at improving the last drawback of the existing approach. The "exact"solutions in this paper refer to the numerical results obtained from the "continuum" models for the classical analytical approaches rather than from the "discretized" ones for the conventional finite element methods.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.6
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pp.860-869
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2000
Numerical and experimental investigations are performed for the molecular transition and slip flows in pumping channels of a disk-type drag pump. The flow occurring in the pumping channel develops from the molecular transition to the slip flow traveling downstream. Two different numerical methods are used in this analysis: the first one is a continuum approach in solving the Navier-Stokes equations with slip boundary conditions, and the second one is a stochastic approach through the use of the direct simulation Monte Carlo method. In the experimental study, the inlet pressures are measured for various outlet pressures in the range of 0.1{\sim}4Torr. From the present study, the numerical results of predicting the performance, obtained by both methods, agree well with the experimental data for the range of Knudsen number $Kn{\leq}0.1$ (i.e., the slip flow regime). But the results from the second method only agree with the experimental data for Kn>0.1(i.e., the molecular transition regime)
Numerical and experimental investigations are peformed for the rarefied gas flows in pumping channels of a helical-type drag pump. Modern turbomolecular pumps include a drag stage in the discharge side, operating roughly in $10^{-2}{\sim}10Torr$. The flow occurring in the pumping channel develops from the molecular transition to slip flow traveling downstream. Two different numerical methods are used in this analysis: the first one is a continuum approach in solving the Navier-Stokes equations with slip boundary conditions, and the second one is a stochastic particle approach through the use of the direct simulation Monte Carlo(DSMC) method. The flow in a pumping channel is three-dimensional(3D), and the main difficulty in modeling a 3D case comes from the rotating frame of reference. Thus, trajectories of particles are no longer straight lines. In the Present DSMC method, trajectories of particles are calculated by integrating a system of differential equations including the Coriolis and centrifugal forces. Our study is the first instance to analyze the rarefied gas flows in rotating frame in the presence of noninertial effects.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.487-492
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2007
The enhancement of the service life of damaged or cracked structures is a major issue for researchers and engineers. The hierarchical void element with the integrals of Legend polynomials is used to characterize the fracture behavior of unpatched crack as well as repaired crack with bonded composite patches by computing the stress intensity factors and stress contours at the crack tip. The numerical approach is based on the v-version degenerate shell element including the theory of anisotropic laminated composites. Since the equivalent single layer approach is adopted in this study, the proposed element is necessary to represent a discontinuous crack part as a continuum body with zero stiffness of materials. Thus the aspect ratio of this element to represent the crack should be extremely slender. The sensitivity of numerical solution with respect to energy release rate, displacement and stress has been tested to show the robustness of hierarchical void element as the aspect ratio is increased up to 2000. The stiffness derivative method and displacement extrapolation method have been applied to calculate the stress intensity factors of Mode I problem.
In this paper the kinematics of damage for finite elastoplastic deformations is introduced using the fourth-order damage effect tensor through the concept of the effective stress within the framework of continuum damage mechanics. Unlike the approach of strain equivalence or energy equivalence, which is applicable only to small strains, the proposed kinematic description provides a relation between the effective strain and the damage elastoplastic strain in finite deformation. This is accomplished by directly considering the kinematics of the deformation field both real configuration. The proposed approach shows that it is equivalent to the hypothesis of energy equivalence at finite strains. The damage effect tensor in this work is explicitly characterized in terms of a kinematic measure of damage in the elastoplastic domain through a second-order damage tensor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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