Molecular dynamics (MD) systems are highly nonlinear and nonlocal, and the conventional model order reduction methods are ineffective for MD systems. The RBF-POD method (Lee and Chen, 2013) employed a radial basis function (RBF) approximated potential energies and inter-atomic forces of MD systems under the framework of the proper orthogonal decomposition (POD) method for the reduced-order modeling of MD systems. In this work, we focus on the numerical procedures of the RBF-POD method and demonstrate how to apply this approach to the modeling of ds-DNA molecules under stretching and bending conditions.
The theory of microlocal analysis of hyperbolic partial differential equations shows that the energy density associated to their high-frequency solutions satisfies transport equations, or radiative transfer equations for randomly heterogeneous materials with correlation lengths comparable to the (small) wavelength. The main limitation to the existing developments is the consideration of boundary or interface conditions for the energy and power flow densities. This paper deals with the high-frequency transport regime in coupled heterogeneous structures. An analytical model for the derivation of high-frequency power flow reflection/transmission coefficients at a beam or a plate junction is proposed. These results may be used in subsequent computations to solve numerically the transport equations for coupled systems, including interface conditions. Applications of this research concern the prediction of the transient response of slender structures impacted by acoustic or mechanical shocks.
A nonlocal finite element model is developed for solving elasto-static frictional contact problems of nanostructures and nanoscale devices. A two dimensional Eringen-type nonlocal elasticity model is adopted. The material is characterized by a stress-strain constitutive relation of a convolution integral form whose kernel is capable to take into account both the diffusion process of nonlocal elasticity and the scale ratio effects. The incremental convex programming procedure is exploited as a solver. Two examples of different nature are presented, the first one presents the behavior of a nanoscale contacting system and the second example discusses the nano-indentation problem.
Dalili S., Mohammad;Huat, B.B.K.;Jaafar, M.S.;Alkarni, A.
Interaction and multiscale mechanics
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제6권1호
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pp.51-81
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2013
A wide literature review on Static Soil-Structure-Interaction (SSI) is done to highlight the key impacts of soil complexity on structural members of framed structures. Attention is paid to the developed approaches, i.e., conventional and Finite Element Method (FEM), to emphasize on deficiencies and merits of the proposed methods according to their applicability, accuracy and power to model and idealization of the superstructures as well as the soil continuum. Proposed hypothesis are much deeply discussed herein for better understanding which is normally neglected in literature review papers due to the large number of references and limit of space.
Nanometer-sized structures are being applied to many fields including micro/nano electronics, optoelectronics, quantum computing, biosensors, etc. Micro contact printing is one of the most promising methods for manufacturing the nanometer-sized structures. The crucial element for the micro contact printing is the nano-resolution printing technique using polymeric stamps. In this study, a multi-scale analysis scheme for simulating the micro contact printing process is proposed and some useful analysis results are presented. Using the slip-link model [1], the dependency of viscoelasticity on molecular weight of polymer stamp is predicted. Deformation behaviors of polymeric stamps are analyzed using finite element method based upon the predicted viscoelastic properties.
Zhiyong Liu;Yunsheng Zhang;Jinyang Jiang;Rusheng Qian;Tongning Cao;Yuncheng Wang;Guowen Sun
Computers and Concrete
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제31권6호
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pp.485-499
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2023
Both damage and unsaturated conditions accelerate the transport of erosive media inside concrete. However, their combined effects have not been fully investigated. A multiscale mortar model using representative volume elements is developed, capturing the number and distribution in each phase. Afterwards, mortar damage microstructure evolution is simulated in the tensile process. Finally, the unsaturated mortar transport is predicted and analysed. The results indicate that damage significantly affects the diffusion process in the early stage, while the transport performance is weakened due to the obstruction of the nontransport phase in the later stage. The higher the saturation and the more connected pores, the faster the diffusion rate of chloride ions. Chloride ions spread around the cracks in a tree-like manner along. The model can very well predict the chloride ion transport performance of unsaturated and damaged mortar.
Accurate estimations of pre-failure deformations and post-failure responses of geostructures require that the simulation tool possesses at least three main ingredients: 1) a constitutive model that is able to describe the macroscopic stress-strain-strength behavior of soils subjected to complex stress/strain paths over a wide range of confining pressures and densities, 2) an embedded length scale that accounts for the intricate physical phenomena that occur at the grain size scale in the soil, and 3) a computational platform that allows the analysis to be carried out beyond the development of an initially "contained" failure zone in the soil. In this paper, a two-scale micropolar plasticity model will be used to incorporate all these ingredients. The model is implemented in a finite element platform that is based on the mechanics of micropolar continua. Appropriate finite elements are developed to couple displacement, micro-rotations, and pore-water pressure in form of $u_n-{\phi}_m$ and $u_n-p_m-{\phi}_m$ (n > m) elements for analysis of dry and saturated soils. Performance of the model is assessed in a biaxial compression test on a slightly heterogeneous specimen of sand. The role of micropolar component of the model on capturing the post-failure response of the soil is demonstrated.
Concrete is a heterogeneous material consisting of coarse aggregate, mortar matrix and interfacial zones at the meso level. Though studies have been done to interpret the fracture process in concrete using meso level models, not much work has been done for simulating the macroscopic behaviour of reinforced concrete structures using the meso level models. This paper presents a procedure for the mesoscopic analysis of reinforced concrete beams using a modified micro truss model. The micro truss model is derived based on the framework method and uses the lattice meshes for representing the coarse aggregate (CA), mortar matrix, interfacial zones and reinforcement bars. A simple procedure for generating a random aggregate structure is developed using the constitutive model at meso level. The study reveals the potential of the mesoscopic numerical simulation using a modified micro truss model to predict the nonlinear response of reinforced concrete structures. The modified micro truss model correctly predicts the load-deflection behaviour, crack pattern and ultimate load of reinforced concrete beams failing under different failure modes.
While the classical theory of Griffith is the foundation of modern understanding of brittle fracture, it has a number of significant shortcomings: Griffith theory does not predict crack initiation and path and it suffers from the presence of unphysical stress singularities. In 1998, Francfort and Marigo presented an energy functional minimization method, where the crack (or its absence) as well as its path are part of the problem's solution. The energy functionals act on spaces of functions of bounded variations, where the cracks are related to the discontinuity sets of such functions. The new model presented here uses modified energy functionals to account for molecular interactions in the vicinity of crack tips, resulting in Barenblatt cohesive forces, such that the model becomes free of stress singularities. This is done in a physically consistent way using recently published concepts of Sinclair. Here, for the consistency of the model, it becomes necessary to allow for crack reversibility and to consider local minimizers of the energy functionals. The latter is achieved by introducing different time scales. The model is solved in its global as well as in its local version for a simple one-dimensional example, showing that local minimization is necessary to yield a physically reasonable result.
본 연구에서는 폴리프로필렌 내에 투입된 탄화규소 나노 입자들의 군집현상이 나노복합재의 역학적 거동에 미치는 영향을 고찰하기 위해 분자동역학 전산모사를 통해 얻은 정보를 연속체 역학 수준에 적용시키는 멀티스케일 해석을 수행하였다. 입자 간의 거리에 따른 계면 물성의 하락을 반영하는 모델을 이용하여, 다양한 군집 상황에 따른 고분자 나노복합재의 탄성거동 변화를 관찰하였다. 또한, 나노복합재의 기계적 거동에 영향을 미치는 주요 요인을 파악하여 군집밀도라는 새로운 지표를 정의하였다. 나노 입자의 군집밀도와 나노복합재의 탄성거동 간의 상관관계를 파악한 결과, 군집밀도의 값이 증가할수록 계면효과가 저하되어 최종적으로 나노복합재의 기계적 물성 상승이 억제되었다. 나노 입자의 랜덤분포를 고려한 해석을 통해, 동일한 군집밀도의 수치에 대해 나노복합재가 가질 수 있는 탄성계수의 범위를 파악할 수 있었다. 상관관계는 지수 함수형태로 표현될 수 있었으며, 이를 통해 나노 입자의 군집밀도를 이용하여 고분자 나노복합재의 기계적 거동을 효과적으로 예측 가능하다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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