This paper deals with an Umbrealla Arch Reinforcement Method (UARM) in tunnelling. It is known that the mechanism of the reinforcement system is too complex to be simulated in existent finite element (FE) frameworks when considering its complex geometry of pipe arrangements and contribution of each component of the reinforcement to reinforcing effect. In this study a 3-D elastoplastic FE procedure is, therefore, proposed by introducing homogenisation technique, which is used to define mathematically elastic as well as elastoplastic characteristics of a reinforced ground material as a composite. A number of practical suggestions are addressed considering staged constructions of tunnels. For illustrative purposes, a series of parametric studies are undertaken and anisotropic characteristics of the reinforced ground as well as effects of the reinforcement on tunnel convergences are investigated. It is found that the reinforced ground material defined in homogenisation framework has its mechanical characteristics reasonably representing inherent geometrical and quantitative characteristics of each of constituents.
Piezoelectric composites have been widely used in broadband acoustic transducers because of their lower acoustic impedance and higher electro-mechanical coupling factor. However, their complex structure has placed many limitations on the design of various transducers. This paper suggests the methodology to substitute the 1-3 piezocomposites by a single-phased material that has properties equivalent to those of the piezocomposites. The resonant method and finite element analysis (FEA) are used to derive the equivalent properties that can accurately depict resonant properties at various vibration modes of the piezocomposites. Validity of the suggested method is confirmed by comparing frequency characteristics of fabricated 1-3 piezocomposite specimens and FEA models. Further, accuracy of the derived material constants is checked by applying the equivalent properties to FEA models of the single phase material for various resonant modes.
Polymer matrix composites are widely used in many engineering applications as they can be customized to meet a desired performance while not only maintaining low cost but also reducing weight. Polymers can experience viscoelastic-viscoplastic response when subjected to external loadings. Various reinforcements and fillers are added to polymers which bring out more complexity in analyzing the timedependent response. This study formulates an integrated micromechanical model and finite element (FE) analysis for predicting effective viscoelastic-viscoplastic response of polymer based hybrid composites. The studied hybrid system consists of unidirectional short-fiber reinforcements and a matrix system which is composed of solid spherical particle fillers dispersed in a homogeneous polymer constituent. The goal is to predict effective performance of hybrid systems having different compositions and properties of the fiber, particle, and matrix constituents. A combined Schapery's viscoelastic integral model and Valanis's endochronic viscoplastic model is used for the polymer constituent. The particle and fiber constituents are assumed linear elastic. A previously developed micromechanical model of particle reinforced composite is first used to obtain effective mechanical properties of the matrix systems. The effective properties of the matrix are then integrated to a unit-cell model of short-fiber reinforced composites, which is generated using the FE. The effective properties of the matrix are implemented using a user material subroutine in the FE framework. Limited experimental data and analytical solutions available in the literatures are used for comparisons.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.3
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pp.393-400
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2003
Excessive generation of BOG during the LNG transportation not only causes the severe financial loss but also leads to the unexpected disaster. Therefore, the carrier cargo insulating interior LNG should be carefully designed based upon an accurate heat transfer analysis. However. it is not simple to analyze heat transfer of LNG cargo, because it is in a complex insulation structure and LNG carrier experiences a complicated heat transfer according to various kinds of voyage conditions. In this paper, we carried out the transient finite element heat transfer analysis for a cargo of Mark-111 membrane-type LNG carrier during laden voyage, and we compared heat transfer rates between considering natural convection and considering conduction. For this goal, we developed a PCL program incorporating with a commercial MSC/NASTRAN FEM code.
Concrete is a heterogeneous material exhibiting quasi-brittle behaviour. While homogenization of concrete is commonly accepted in general engineering applications, a detailed description of the material heterogeneity using a mesoscale model becomes desirable and even necessary for problems where drastic spatial and time variation of the stress and strain is involved, for example in the analysis of local damages under impact, shock or blast load. A mesoscale model can also assist in an investigation into the underlying mechanisms affecting the bulk material behaviour under various stress conditions. Extending from existing mesoscale model studies, where use is often made of specialized codes with limited capability in the material description and numerical solutions, this paper presents a mesoscale computational model developed under a general-purpose finite element environment. The aim is to facilitate the utilization of sophisticated material descriptions (e.g., pressure and rate dependency) and advanced numerical solvers to suit a broad range of applications, including high impulsive dynamic analysis. The whole procedure encompasses a module for the generation of concrete mesoscale structure; a process for the generation of the FE mesh, considering two alternative schemes for the interface transition zone (ITZ); and the nonlinear analysis of the mesoscale FE model with an explicit time integration approach. The development of the model and various associated computational considerations are discussed in this paper (Part 1). Further numerical studies using the mesoscale model for both quasi-static and dynamic loadings will be presented in the companion paper (Part 2).
Beg, Mirza S.;Khalid, Hasan M.;Yasin, Mohd Y.;Hadji, L.
Steel and Composite Structures
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v.39
no.1
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pp.1-20
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2021
An exact solution based on refined third-order theory (TOT) has been presented for functionally graded porous curved beams having deep curvature. The displacement field of the refined TOT is derived by imposing the shear free conditions at the outer and inner surfaces of curved beams. The properties of the two phase composite are tailored according the power law rule and the effective properties are computed using Mori-Tanaka homogenization scheme. The equations of motion as well as consistent boundary conditions are derived using the Hamilton's principle. The curved beam stiffness coefficients (A, B, D) are obtained numerically using six-point Gauss integration scheme without compromising the accuracy due to deepness (1 + z/R) terms. The porosity has been modeled assuming symmetric (even) as well as asymmetric (uneven) distributions across the cross section of curved beam. The programming has been performed in MATLAB and is validated with the results available in the literature as well as 2D finite element model developed in ABAQUS. The effect of inclusion of 1 + z/R terms is studied for deflection, stresses and natural frequencies for FG curved beams of different radii of curvature. Results presented in this work will be useful for comparison of future studies.
This work presents a proposal for employing reduced numerical integration in the formulation of the 4-node quadrilateral solid finite element. The use of these low-order integration rules leads to numerical instabilities such as those producing the hourglass effect. The proposed procedure allows evaluating a given constitutive model only in one integration point, achieving an attractive computational cost reduction and, also, successfully controls the hourglass effect. A validation of the proposal is included and discussed throughout the paper. To show the efficiency of the proposal, several application examples of masonry structures are studied and discussed. To represent the non-linear mechanical behaviour of masonry a plastic-damage model is implemented within the application of this sub-integration scheme. Also, in order to have a full and computationally efficient strategy to determine the behaviour of masonry structures, involving its evolution to collapse, a homogenization technique with a macro-modeling approach is used. The methodology discussed throughout this paper demonstrates a substantial computational cost reduction and an improved approximation of the non-linear problem evidenced by a reduction of up to 85% of the computational time for some cases.
Numerous methods have been proposed in predicting formability of sheet metals based on microstructural and macro-scale properties of sheets. However, there are limited number of papers on the optimization problem to increase formability of sheet metals. In the present study, we aim to use novel optimization algorithms in neural networks to maximize the formability of sheet metals based on tensile curve and texture of aluminum sheet metals. In this regard, experimental and numerical evaluations of effects of texture and tensile properties are conducted. The texture effects evaluation is performed using Taylor homogenization method. The data obtained from these evaluations are gathered and utilized to train and validate an artificial neural network (ANN) with different optimization methods. Several optimization method including grey wolf algorithm (GWA), chimp optimization algorithm (ChOA) and whale optimization algorithm (WOA) are engaged in the optimization problems. The results demonstrated that in aluminum alloys the most preferable texture is cube texture for the most formable sheets. On the other hand, slight differences in the tensile behavior of the aluminum sheets in other similar conditions impose no significant decreases in the forming limit diagram under stretch loading conditions.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.2
no.3
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pp.1-11
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2011
The typical truss-lattice material successively packed by repeated cubic symmetric unit cells consists of sub-elements (SE) proposed in this study. The representative continuum model for this truss-lattice material such as the effective strain and stress relationship can be formulated by the homogenization procedure based on the notation of averaged mechanical properties. The volume fractions of micro-scale struts have a significant influence on the effective strength as well as the relative density in the lattice plate with replicable unit cell structures. Most of the strength contribution in the lattice material is induced by axial stiffness under uniform stretching or compression responses. Therefore, continuum based constitutive models composed of homogenized member stiffness include these mechanical characteristics with respect to strength, internal stress state, material density based on the volume fraction and even failure modes. It can be also recognized that the stress state of micro-scale struts is directly associated with the continuum constitutive model. The plastic flow at the micro-scale stress can extend the envelope of the analytical stress function on the surface of macro-scale stress derived from homogenized constitutive equations. The main focus of this study is to investigate the basic topology of unit cell structures with the cubic symmetric system and to formulate the plastic models to predict pressure dependent macro-scale stress surface functions.
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.19
no.3
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pp.194-202
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2016
This study aims to review a topology optimization based on finite element analysis (FEA) for conceptual design of platform in the 10MW class floating type wave-wind hybrid power generation system (WHPGS). Two topology optimization theories, density method (DM) and homogenization design method (HDM) were used to check which one is more effective for a simplified structural design problem prior to the topology optimization of platform of WHPGS. From the results of the simplified design problem, the HDM was applied to the topology optimization of platform of WHPGS. For the conceptual platform design of WHPGS, FEA model was created and then the structural analysis was performed considering offshore environmental loads at installation site. Hydrodynamics analysis was carried out to calculate pressure on platform and tension forces in mooring lines induced from the offshore environmental loads such as design wave and current. Loading conditions for the structural analysis included the analysis results from the hydrodynamic analysis and the weights of WHPGS. Boundary condition was realized using inertia relief method. The topology optimization of WHPGS platform was performed using the HDM, and then the conceptual arrangement of main structural members was suggested. From the results, it was confirmed that the topology optimization might be a useful tool to design the conceptual arrangement of main structural members for a newly developed offshore structure such as the floating type WHPGS.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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