Control of the mechanical behavior of composite materials and structures under monotonic and dynamic loads for cracks and damage is a vast and complex area of research. The modeling of the different physical phenomena and behavior characteristics of a composite material during deformation play an important role in the structural design. Our study aims to analyze numerically the energy release rate parameter G of a composite laminated plate (glass or boron / epoxy) cross-ply [$+{\alpha}$, $-{\alpha}$] in the presence of a crack between two circular notches under the effect of several parameters such as fiber orientation ${\alpha}$, the crack orientation ${\beta}$, the orientation ${\gamma}$ of the two considered circular notches and the effect of mechanical properties. Our results show clearly that both notches orientation has more effect on G than the cracks and fibers orientations.
This study investigates the behavior of group of tapered and cylindrical piles. The bearing capacities of groups of tapered and cylindrical piles are computed and compared. Modeling of group of piles in this study is conducted in sand using three-dimensional finite element software. For this purpose, total bearing capacity of each group is firstly calculated using the load-displacement curve under specific load and common techniques. Then, the model of group of piles is reloaded under this calculated capacity to find group settlements, stress states on the lateral surfaces of group block, efficiency of group and etc. In order to calculate the efficiency of each group, single tapered and cylindrical piles are modeled separately. Comparison for both tapered and cylindrical group of piles with same volume is conducted and a relation to predict tapered pile group efficiency is developed. A parametric study is also performed by changing parameters such as tapered angle, angle of internal friction of sand, dilatancy angle of soil and coefficient of lateral earth pressure to find their influences on single pile and pile group behavior.
There is not enough mixed finite element method (MFEM) model developed for static and dynamic analysis of functionally graded material (FGM) beams in the literature. The main purpose of this study is to develop a reliable and efficient computational modeling using an efficient functional in MFEM for free vibration and static analysis of FGM composite beams subject to high order shear deformation effects. The modeling of material properties was performed using mixture rule and Mori-Tanaka scheme which are more realistic determination techniques. This method based on the assumption that a two phase composite material consisting of matrix reinforced by spherical particles, randomly distributed in the beam. To explain the displacement components of the shear deformation effects, it was accepted that the shear deformation effects change sinusoidal. Partial differential field equations were obtained with the help of variational methods and then these equations were transformed into a novel functional for FGM beams with the help of Gateaux differential derivative operator. Thanks to the Gateaux differential method, the compatibility of the field equations was checked, and the field equations and boundary conditions were reflected to the function. A MFEM model was developed with a total of 10 degrees of freedom to apply the obtained functional. In the numerical applications section, free vibration and flexure problems solutions of FGM composite beams were compared with those predicted by other theories to show the effects of shear deformation, thickness changing and boundary conditions.
In practice, the interference influence caused by adjacent footings of structures on geo-reinforced loose soil has a considerable impact on their behavior. Thus, the goal of this study is to evaluate the behavior of two strip footings in close proximity on both geocell and geogrid reinforced soil with different reinforcement layers. Geocell was made from geogrid material used to compare the performance of cellular and planar reinforcement on the bearing pressure of twin footings. Extensive experimental tests have been performed to attain the optimum embedment depth and vertical distance between reinforcement layers. Particle image velocimetry (PIV) analysis has been conducted to monitor the deformation, tilting and movement of soil particles beneath and between twin footings. Results of tests and PIV technique were verified using finite element modeling (FEM) and the results of both PIV and FEM were used to utilize failure mechanisms and influenced shear strain around the loading region. The results show that the performance of twin footings on geocell-reinforced sand at allowable and ultimate settlement ranges are almost 4% and 25% greater than the same twin footings on the same geogrid-reinforced sand, respectively. By increasing the distance between twin footings, soil particle displacements become smaller than the settlement of the foundations.
Zhang, Zhi-Chao;Liu, Han-Long;Pak, Ronald Y.S.;Chen, Yu-Min
Geomechanics and Engineering
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v.7
no.6
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pp.613-631
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2014
To complement the method of field-scale seismic ground motion simulations by buried blast techniques, the application and evaluation of the capability of a numerical modeling platform to simulate buried explosion-induced ground motion at a real soil site is presented in this paper. Upon a layout of the experimental setup at a level site wherein multiple charges that were buried over a large-diameter circle and detonated in a planned sequence, the formulation of a numerical model of the soil and the explosives using the finite element code LS-DYNA is developed for the evaluation of the resulting ground motion and surface subsidence. With a compact elastoplastic cap model calibrated for the loess soils on the basis of the site and laboratory test program, numerical solutions are obtained by explicit time integration for various dynamic aspects and their relation with the field blast experiment. Quantitative comparison of the computed ground acceleration time histories at different locations and induced spatial subsidence on the surface afterwards is given for further engineering insights in regard to the capabilities and limitations of both the numerical and experimental approaches.
In order to properly evaluate the spatio-temporal variations of groundwater flow, the data obtained in field experiments should be corroborated into numerical simulations. Particle tracking method is a simple simulation tool often employed in groundwater simulation to predict groundwater flow paths or solute transport paths. Particle tracking simulations visually show overall the particle flow path along the entire aquifer, but no previous simulation studies has yet described the parameter values at grid nodes around the particle path. Therefore, in this study, a new technical approach was proposed that enables acquisition of parameters associated with particle transport in grid nodes distributed in the center of the particle path in groundwater. Since the particle tracking path is commonly referred to as streamline, the algorithm and codes developed in this works designated streamline analysis method. The streamline analysis method can be applied in two-dimensional and three-dimensional finite element or finite difference grid networks, and can be utilized not only in the groundwater field but also in all fields that perform numerical modeling.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.12
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pp.1931-1936
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2004
In this paper, modeling methods for the structural dynamic analysis employing single reference frame are presented and their modal and transient analysis results are compared. The geometric stiffening effects often occur when structures undergo large overall motion. These effects were considered in several structural previous modeling methods but the role of reference frame has never been scrutinized. In this study, modeling methods employing single reference frame are presented, and their numerical results are compared. The results show that discrepancy between the two modeling methods increases as the eccentricity of the structural system and the magnitude of the large overall motion increase.
In this paper, modeling methods for the structural dynamic analysis employing single reference frame are presented and their modal and transient analysis results are compared. The geometric stiffening effects often occur when structures undergo large overall motion. These effects were considered in several structural previous modeling methods but the role of reference frame has never been scrutinized. In this study, modeling methods employing single reference frame are presented, and their numerical results are compared. The results show that discrepancy between the two modeling methods increases as the eccentricity of the structural system and the magnitude of the large overall motion increase.
Fiber metal laminates (FMLs) are layered materials comprised of thin metal sheets and fiber reinforced plastic (FRP). This paper presents the numerical study of the formability enhancement of FMLs composed of an aluminum alloy and self-reinforced polypropylene (SRPP) composite. In this study, a numerical simulation based on finite element (FE) modeling is proposed to evaluate the formability of FMLs using ABAQUS/Explicit. The FE model, which included a single layer of solid and shell elements to model the blank, used discrete layers of the solid element with a contact model and shell elements with a friction based model for the aluminum alloy-composite interface conditions. This method allowed the description of each layer of FMLs and was able to simulate the interaction between the layers. It is noted through this research that the proposed numerical simulation described properly the formability enhancement of the FMLs and the simulation results showed good agreement with experimental results.
The finite element method is applied to analyze the deformation mechanisms in the closed-cell Al foam under the compression. The modeling of the real cellular structure proceeds with the concept of the reverse engineering. First of all, the small, $10{\times}\;10{\times}\;10mm^3$ sized specimens of the closed-cell Al foam are prepared. The micro focus X-ray CTsystem of SHIMADZU Corp. is used to scan the full structures of the specimens. The scanned structures are converted to the geometric surfaces and solids through the software for 3-D scan data processing, RapidFormTMof INUS Tech. Inc. Then the solid meshes are directly generated on the converted geometric solids for the finite element analysis. The large elastic-plastic deformation and 3-D contact problems for the Al cellular material are considered. The clear and successful analysis for the deformation mechanisms in the closed-cell Al foam is carried out through the comparison of the numerical results in this research with the referred experimental ones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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