Zhu, Hai Y.;Deng, Jin G.;Zhao, Jun;Zhao, Hu;Liu, Hai L.;Wang, Teng
Computers and Concrete
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v.14
no.1
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pp.91-107
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2014
Using the principle of damage mechanics, zero-thickness pore pressure cohesive elements (PPCE) are used to simulate the casing-cement interface (CCI) and cement-rock interface (CRI). The traction-separation law describes the emergence and propagation of the PPCE. Mohr-coulomb criteria determines the elastic and plastic condition of cement sheath and rock. The finite element model (FEM) of delamination fractures emergence and propagation along the casing-cement-rock (CCR) interfaces during hydraulic fracturing is established, and the emergence and propagation of fractures along the wellbore axial and circumferential direction are simulated. Regadless of the perforation angle (the angle between the perforation and the max. horizontal principle stress), mirco-annulus will be produced alonge the wellbore circumferential direction when the cementation strength of the CCI and the CRI is less than the rock tensile strength; the delamination fractures are hard to propagate along the horizontal wellbore axial direction; emergence and propagation of delamination fractures are most likely produced on the shallow formation when the in-situ stresses are lower; the failure mode of cement sheath in the deep well is mainly interfaces seperation and body damange caused by cement expansion and contraction, or pressure testing and well shut-in operations.
The static analysis of structures with arbitrary cross-section geometry and material lamination via a refined one-dimensional (1D) approach is presented in this paper. Higher-order 1D models with a variable order of expansion for the displacement field are developed on the basis of Carrera Unified Formulation (CUF). Classical Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are obtained as particular cases of the first-order model. Numerical results of displacement, strain and stress are provided by using the finite element method (FEM) along the longitudinal direction for different configurations in excellent agreement with three-dimensional (3D) finite element solutions. In particular, a layered thin-walled cylinder is considered as first assessment with a laminated conventional cross-section. An atherosclerotic plaque is introduced as a typical structure with arbitrary cross-section geometry and studied for both the homogeneous and nonhomogeneous material cases through the 1D variable kinematic models. The analyses highlight limitations of classical beam theories and the importance of higher-order terms in accurately detecting in-plane cross-section deformation without introducing additional numerical problems. Comparisons with 3D finite element solutions prove that 1D CUF provides remarkable three-dimensional accuracy in the analysis of even short and nonhomogeneous structures with arbitrary geometry through a significant reduction in computational cost.
A series of direct shear tests were conducted to investigate the frictional properties of the interface between structures and the filling soil of Chongqing airport fourth stage expansion project. Two types of structures are investigated, one is low carbon steel and the other is the bedrock sampled from the site. The influence of soil water content, surface roughness and material types of structure were analyzed. The tests show that the interface friction and shear displacement curve has no softening stage and the curve shape is close to the Clough-Duncan hyperbola, while the soil is mainly shear contraction during testing. The interface frictional resistance and normal stress curve meets the Mohr-Coulomb criterion and the derived friction angle and frictional resistance of interface increase as surface roughness increases but is always lower than the internal friction angle and shear strength of soil respectively. When surface roughness is much larger than soil grain size, soil-structure interface is nearly shear surface in soil. In addition to the geometry of structural surface, the material types of structure also affects the performance of soil-structure interface. The wet interface frictional resistance will become lower than the natural one under specific conditions.
This study is dedicated to the dynamic elasticity problem for a semi-strip. The semi-strip is loaded by the dynamic load at the center of its short edge. The conditions of fixing are given on the lateral sides of the semi-strip. The initial problem is reduced to one-dimensional problem with the help of Laplace's and Fourier's integral transforms. The one-dimensional boundary problem is formulated as the vector boundary problem in the transform's domain. Its solution is constructed as the superposition of the general solution for the homogeneous vector equation and the partial solution for the inhomogeneous vector equation. The matrix differential calculation is used for the deriving of the general solution. The partial solution is constructed with the help of Green's matrix-function, which is searched as the bilinear expansion. The case of steady-state oscillations is considered. The problem is reduced to the solving of the singular integral equation. The orthogonalization method is applied for the calculations. The stress state of the semi-strip is investigated for the different values of the frequency.
By using the finite element method, the Oyane's ductile fracture integral I was calculated from the histories of stress and strain according to every element and then the forming limit of hydroforming process could be evaluated. The fracture initiation site and the forming limit fer two typical hydroforming processes, tee extrusion and bumper rail under different forming conditions are predicted in this study. For tee extrusion hydroforming process, the pressure level has significant influence on the forming limit. When the expansion area is backed by a supporter and bulged, the process would be more stable and the possibility of bursting failure is reduced. For bumper rail, the ductile fracture integral I is not only affected by the process parameters, but also by the shape of preforming blank. Due to no axial feeding on the end side of the blank, the possibility of cracking in hydroforming of the bumper rail is influenced by the friction condition more strongly than that of the tee extrusion. All the simulation results show reasonable plastic deformation, and the applications of the method could be extended to a wide range of hydroforming processes.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.18
no.5
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pp.359-366
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2013
In the lower arm design process, a tolerance optimization of the variance of design variables should be preceded before manufacturing process, since it is very cost-effective compared to a strict management of tolerance of products. In this study, a design of experiment (DOE) based on response surface model (RSM) was carried out to find optimized design variables of the lower arm, which can meet a given requirement of probability constraint for the process capability index (Cpk) of the weight and maximum stress. Then, the design space was explored by using the central composite design method, in which the 2nd order Taylor expansion was applied to predict a standard deviation of the responses. The optimal solutions satisfying the probability constraint of the Cpk were found by considering both of the mean value and the standard deviation of the design variables.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.1
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pp.179-187
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2002
Finite element analysis was performed to evaluate the integrity of the tubes in the fixed tubesheet of horizontal type heat exchanger under operating condition. For the finite element analysis of the heat exchanger, tubes and tubesheets were equivalently modeled with concentroidal hexagonal columns and solid plates having equivalent properties for the convenience of finite element modeling, respectively. Load combination of tube pressure and thermal expansion most likely to precipitate possible failure of the tubes was selected and applied to the finite element analysis. The compressive stresses of the tubes were calculated based on displacements of each tube, which were obtained from anile element analysis. Finally, the maximum tube stress was compared with the design criterion of ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2014.02a
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pp.160.1-160.1
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2014
Using a density functional theory calculation including van der Waals (vdW) corrections, we report that $H_2$ adsorption in a cubic-crystalline microporous metal-organic framework (MOF-5) leads to volume shrinkage, which is in contrast to the intuition that gas adsorption in a confined system (e.g., pores in a material) increases the internal pressure and then leads to volumetric expansion. This extraordinary phenomenon is closely related to the vdW interactions between MOF and $H_2$ along with the $H_2$-$H_2$ interaction, rather than the Madelung-type electrostatic interaction. At low temperatures, $H_2$ molecules adsorbed in the MOF-5 form highly symmetrical interlinked nanocages that change from a cube-like shape to a sphere-like shape with $H_2$ loading, helping to exert centrosymmetric forces and hydrostatic (volumetric) stresses from the collection of dispersive interactions. The generated internal negative stress is sufficient to overcome the stiffness of the MOF-5 which is a soft material with a low bulk modulus (15.54 GPa).
As the engine design change to get high efficiency and performance of commercial diesel engine, surface wear of the cam follower becomes an important issues as applied load increasing at the contact face between cam follower and cam. Purpose of this study is the developing of the ceramic cam follower made of silicon nitride ceramic which is more wear resistant than the cast iron and sintered cam follower. Ceramic cam follower was made by direct brazing of thin ceramic disk to steel can follower body using active bracing alloy. Effect of joining condition on the interfacial phases and joining strength wer examined at bvarious joining temperatures, times, and cooling rates. Crowning resulted from the difference of thermal expansion coefficient after direct brazing without using any stress-relieving inter layer was measured. Interfacial phases are mainly titanium silicide and titanium nitride which are the products between active metal(Ti) in brazing alloy and silicon nitiride. Maximum joining strength of the ceramic metal joint, measured by DBS method, was 334MPa. Crowning(R) of the prototype ceramic cam follower was 1595mm. As machining for crowning is not necessary, production cost can be reduced.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.10
no.3
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pp.218-226
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2017
Severe radial thrust under off-design operating conditions can be a harmful factor for centrifugal pumps. In the present work, effects of geometry of a double volute casing on the hydrodynamic performance of a centrifugal pump have been investigated focusing on off-design conditions. Three-dimensional steady Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis was carried out by using shear stress transport turbulence model. Numerical results for the hydrodynamic performance of the centrifugal pump were validated compared with experimental data. The hydraulic efficiency and radial thrust coefficient were used as performance parameters to evaluate the hydrodynamic characteristics of the centrifugal pump. The cross-sectional area ratio of the volute casing, the expansion coefficient of the rib structure, the distance between the rib starting point and volute entrance, and radius and width of the volute entrance, and length of the rib structure, were selected as geometric parameters. Results of the parametric study show that the performance parameters are significantly affected by the geometric variables and operating conditions. Optimal configurations of the double volute casing based on the design of experiments technique show outstanding performance in terms of the efficiency and radial thrust coefficient.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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