The present paper concerns the macroscopic overall description of rheologic properties for steel wire and synthetic fibre cables under variable loading actions according to non-linear creep and/or relaxation theory. The general constitutive equations of non-linear creep and/or relaxation of tension elements - cables under one-step and the variable stress or strain inputs using the product and two types of additive approximations of the kernel functions are presented in the paper. The derived non-linear constitutive equations describe a non-linear rheologic behaviour of the cables for a variable stress or strain history using the kernel functions determined only by one-step - constant creep or relaxation tests. The developed constitutive equations enable to simulate and to predict in a general way non-linear rheologic behaviour of the cables under an arbitrary loading or straining history. The derived constitutive equations can be used for the various tension structural elements with the non-linear rheologic properties under uniaxial variable stressing or straining.
To improve the predictive capability of a nuclear thermal hydraulic safety analysis code by developing a better constitutive equation for individual phenomenon has been the general research direction until now. This paper proposes a new method to directly use complex experimental data obtained from integral effect test (IET) to improve constitutive models holistically and simultaneously. The method relies on the sensitivity of a simulation result of IET data to the multiple constitutive equations utilized during the simulation, and the sensitivity of individual model determines the direction of modification for the constitutive model. To develop a robust and generalized method, a clustering algorithm using an artificial neural network, sample space size determination using non-parametric statistics, and sampling method of Latin hypercube sampling are used in a combined manner. The value of the proposed methodology is demonstrated by applying the method to the ATLAS DSP-05 IET experiment. A sensitivity of each observation parameter to the constitutive models is analyzed. The new methodology suggested in the study can be used to improve the code prediction results of complex IET data by identifying the direction for constitutive equations to be modified.
Mbangue Nzengwa Ekmon;Ngatcha Ndengna Arno Roland;Ngouanom Gnidakouong Joel Renaud;Nkongho Anyi Joseph;Nzengwa Robert
Computers and Concrete
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제34권5호
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pp.591-609
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2024
Two novel laminate constitutive equations (LCE) for the static analysis of anisotropic shells are presented and implemented in this work. The LCE, developed for both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) analysis, are more general than those obtained using the Kirchhoff-Love (K-L) equations, Reissner-Minddlin (R-M) type models, refined 2D/3D models, and some general anisotropic doubly-curved shell theories. Our study presents a 2D LCE model that accounts for classical mechanical couplings based on previous models plus additional couplings including extensional-twisting-shearing, extensional-twisting, Gauss bending-twisting-shearing, and Gauss bending-shearing mechanical couplings related to the third fundamental, or Gauss tensor. Moreover, the developed 3D LCE model accounts for all 2D mechanical couplings cited above plus additional mechanical couplings due to the section warping tensor, which arises from the stretching-through-the-thickness variable. These mechanical couplings are pertinent to the optimal design of a composite and are often disregarded in various static and dynamic analysis studies. Neglecting these new mechanical couplings in the design and analysis of laminated composite shells (LCS) can result in significant errors, from both physical and mechanical viewpoint. As such, we recommend employing new complete constitutive relations that integrate these pertinent mechanical couplings for the aforementioned study. Based on our analysis of the impact of additional couplings, we have developed several mathematical formulations that address several challenges encountered in laminated shell theory. As we increase the shell's thickness ratio, our research examines the effects of these couplings on mechanical behavior, buckling shape, critical buckling pressure, and failure analysis through computational modelling and various tests. The examination of the thickness ratio of composite shells illustrates the contrast between our newly developed LCE and some existing LCE as the shells increase in thickness.
During decades, there has been much progress in understanding of the inelastic behavior of the materials and numerous inelastic constitutive equations have been developed. The complexity of these constitutive equations generally requires a stable and accurate numerical method. To obtain the increment of state variable, its evolution laws are linearized by several approximation methods, such as general midpoint rule(GMR) or general trapezoidal rule(GTR). In this investigation, semi-implicit integration schemes using GTR and GMR were developed and implemented into ABAQUS by means of UMAT subroutine. The comparison of integration schemes was conducted on the simple tension case, and simple shear case and nonproportional loading case. The fully implicit integration(FI) was the most stable but amplified the truncation error when the nonlinearity of state variable is strong. The semi-implicit integration using GTR gave the most accurate results at tension and shear problem. The numerical solutions with refined time increment were always placed between results of GTR and those of FI. GTR integration with adjusting midpoint parameter can be recommended as the best integration method for viscoplastic equation considering nonlinear kinematic hardening.
A general theory which describes the elastic response of a curved anisotropic plate subjected to stretching and bending will be developed by considering the nonlinear effect that reflecting the non-flat geometry of the structure. By applying a newly derived $6{\times}6$ matrix constitutive relation between force resultants, moment resultants, mid-plane strains and deformed curvatures, the governing differential equations for a curved anisotropic plate is developed in the usual manner, namely, by consideration of the constitutive relation and equilibrium equations. Solutions are obtained for simply-supported boundary conditions and compared to corresponding solutions that neglecting the nonlinear effect in the analysis. The comparisons indicate that the nonlinear terms in the equations that caused by the curvature of the structure is crucial for the curved plate analysis. Under certain curved plate geometries the unreasonable results will be induced by neglecting the nonlinear effect in the analysis.
The study of nonlinear gas transport in rarefied condition or associated with the microscale length of the geometry has emerged as an interesting topic in recent years. Along with the DSMC method, several fluid dynamic models that come under the general category of the moment method or the Chapman-Enskog method have been used for this type of problem. In the present study, on the basis of Eu's generalized hydrodynamics, a computational model for diatomic gases is proposed. The preliminary result indicates that the bulk viscosity plays a considerable role in fundamental flow problems such as the shock structure and shear flow. The general properties of the constitutive equations are obtained through a simple mathematical analysis. With an iterative computational algorithm of the constitutive equations, numerical solutions for the multi-dimensional problem can be obtained.
A new theory of weightless sagging planer elasto-flexible cables under point loads is developed earlier by the authors and used for predicting the nonlinear dynamic response of cable-suspended linear elastic beams. However, this theory is not valid for nonlinear elastic cracked concrete beams possessing different positive and negative flexural rigidity. In the present paper, the flexural response of simply supported cracked concrete beams suspended from cables by two hangers is presented. Following a procedure established earlier, rate-type constitutive equations and third order nonlinear differential equations of motion for the structures undergoing small elastic displacements are derived. Upon general quasi-static loading, negative nodal forces, moments and support reactions may be introduced in the cable-suspended concrete beams and linear modal frequencies may abruptly change. Subharmonic resonances are predicted under harmonic loading. Uncoupling of the nodal response is proposed as a more general criterion of crossover phenomenon. Significance of the bilinearity ratio of the concrete beam and elasto-configurational displacements of the cable for the structural response is brought out. The relevance of the proposed theory for the analysis and the design of the cable-suspended bridges is critically evaluated.
Generally, the structural material shows rate dependent behaviors, which require to constitute different strain-stress relations according to strain rates. Conventional rate- independent constitutive equations used in general purpose finite analysis programs are inadequate for dynamic finite strain problems. In this paper, a rate dependent constitutive equation for elastic-plastic material was developed. The plastic stretch rate was modeled based on slip model with dislocation velocity and density so that there is no yielding condition, and no loading conditions. Non-linear hardening rule was also introduced for finite strain. Material constants of present constitutive equation were determined by experimental data of mild steel. The constitutive equation was applied to uniaxile tension. It was appeared that the present constitutive equation well simulates rate dependent behaviors of mild steel.
The major objective of this paper is to clarify the effect of constitutive laws on bulk forming design based on the ideal flow theory. The latter theory is in general applicable for perfectly/plastic materials. However, its kinematics equations constitute a closed-form system, which are valid for any incompressible materials, therefore enabling us to extend design solutions based on the perfectly/plastic constitutive law to more realistic laws with rate sensitive hardening behavior. In the present paper, several constitutive laws commonly accepted for the modeling of cold and hot metal forming processes are considered and the effect of these laws on one particular plane-strain design is demonstrated. The closed form solution obtained describes a non-trivial nonsteady ideal process. The design solutions based on the ideal flow theory are not unique. To achieve the uniqueness, the criterion that the plastic work required to deform the initial shape of a given class of shapes into a prescribed final shape attains its minimum is adopted. Comparison with a non-ideal process is also made.
The hygrothermal stresses in sandwich plate with composite faces due to through the thickness gradient temperature and (or) moisture content are investigated. The layer-wise theory is employed for formulation of the problem. The formulation is derived for sandwich plate with general layer stacking, subjected to uniform and non-uniform temperature and moisture content through the thickness of the plate. The governing equations are solved for free edge conditions and 3D stresses are investigated. The out of plane stresses are obtained by equilibrium equations of elasticity and by the constitutive law and the results for especial case are compared with the predictions of a 3D finite element solution in order to study the accuracy of results. The three-dimensional stresses especially the free edge effect on the distribution of the stresses is studied in various sandwich plates and the effect of uniform and non-uniform thermal and hygroscopic loading is investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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