Seo Jong-Hwi;Jung Il-Ho;Sugiyama Hiroyuki;Shabana Ahmed A.;Park Tae-Won
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.8
s.239
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pp.1123-1131
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2005
In this paper, a formulation for a spatial sliding joint, which a general multibody can move along a very flexible cable, is derived using absolute nodal coordinates and non-generalized coordinate. The large deformable motion of a spatial cable is presented using absolute nodal coordinate formulation, which is based on the finite element procedures and the general continuum mechanics theory to represent the elastic forces. And the non-generalized coordinate, which is neither related to the inertia forces nor external forces, is used to describe an arbitrary position along the centerline of a very flexible cable. In the constraint equation for the sliding joint, since three constraint equations are imposed and one non-generalized coordinate is introduced, one constraint equation is systematically eliminated. Therefore, there are two independent Lagrange multipliers in the final system equations of motion associated with the sliding joint. The development of this sliding joint is important to analyze many mechanical systems such as pulley systems and pantograph/catenary systems for high speed-trains.
The role of viscosity index improver's(Ⅶ) additives for modem engine lubrication is complex. Under the condition of atmosphere or low shear rate, the characteristics of Ⅶ added lubricant is verified and quoted frequently for mathematical model of lubricant behavior. However, recent research shows that added lubricant has the characteristics of shear thinning at high shear rate condition although it performs well enough over the whole range of working temperature. At high shear rate, they show significant decrease of apparent viscosity irrespective of temperature. Many experimental researches verify that Ⅶ added lubricant shows boundary film layer formation on the solid surface as well as shear thinning effect by its polymeric molecular characteristics. The intend of our research is to verify the effects of Ⅶ from the viewpoint of continuum mechanics, because conventional Reynolds'equation with only pressure-viscosity relation cannot fully predict the lubricant behavior under the Ⅶ added condition. In these aspects, Reynolds'equation of Newtonian fluid model lacks the reflection of real fluid behavior and there is no way to explain the non-linear characteristics of Ⅶ added lubricant. In this research, we mathematically modeled the Ⅶ added lubricant behaviors which are the characteristics of non-Newtonian fluid behavior at high shear rate and boundary film formation on the solid surface. The consideration of elastic deformation in the contact region is also included in our computation and finally the converged film pressure and the film thickness with elastic deformation are obtained. The results are compared with those of Newtonian fluid model.
This paper presents the application of hybrid-simulation-based adapter elements for the non-linear two-scale analysis of reinforced concrete frames with masonry infills under seismic-like demands. The approach provides communication and distribution of the computations carried out by two or more remote or locally distributed numerical models connected through the OpenFresco Framework. The modeling consists of a global analysis formed by macro-elements to represent frames and walls, and to reduce global degrees of freedom, portions of the structure that require advanced analysis are substituted by experimental elements and dimensional couplings acting as interfaces with their respective sub-assemblies. The local sub-assemblies are modeled by solid finite elements where the non-linear behavior of concrete matrix and masonry infill adopt a continuum damage representation and the reinforcement steel a discrete one, the conditions at interfaces between concrete and masonry are considered through a contact model. The methodology is illustrated through the analysis of a frame-wall system subjected to lateral loads comparing the results of using macro-elements, finite element model and experimental observations. Finally, to further assess and validate the methodology proposed, the paper presents the pushover analysis of two more complex structures applying both modeling scales to obtain their corresponding capacity curves.
The study deals with physical modeling of space frame-pile foundation and soil system using finite element models. The superstructure frame is analyzed using complete three-dimensional finite element method where the component of the frame such as slab, beam and columns are descretized using 20 node isoparametric continuum elements. Initially, the frame is analyzed assuming the fixed column bases. Later the pile foundation is worked out separately wherein the simplified models of finite elements such as beam and plate element are used for pile and pile cap, respectively. The non-linear behaviour of soil mass is incorporated by idealizing the soil as non-linear springs using p-y curve along the lines similar to that by Georgiadis et al. (1992). For analysis of pile foundation, the non-linearity of soil via p-y curve approach is incorporated using the incremental approach. The interaction analysis is conducted for the parametric study. The non-linearity of soil is further incorporated using iterative approach, i.e., secant modulus approach, in the interaction analysis. The effect the various parameters of the pile foundation such as spacing in a group and configuration of the pile group is evaluated on the response of superstructure owing to non-linearity of the soil. The response included the displacement at the top of the frame and bending moment in columns. The non-linearity of soil increases the top displacement in the range of 7.8%-16.7%. However, its effect is found very marginal on the absolute maximum moment in columns. The hogging moment decreases by 0.005% while sagging moment increases by 0.02%.
In nanosized structures as the surface area to the bulk volume ratio increases the classical continuum mechanics approaches fails to investigate the mechanical behavior of such structures. In perforated nanobeam structures, more decrease in the bulk volume is obtained due to perforation process thus nonclassical continuum approaches should be employed for reliable investigation of the mechanical behavior these structures. This article introduces an analytical methodology to investigate the size dependent, surface energy, and perforation impacts on the nonclassical bending behavior of regularly squared cutout nanobeam structures for the first time. To do this, geometrical model for both bulk and surface characteristics is developed for regularly squared perforated nanobeams. Based on the proposed geometrical model, the nonclassical Gurtin-Murdoch surface elasticity model is adopted and modified to incorporate the surface energy effects in perforated nanobeams. To investigate the effect of shear deformation associated with cutout process, both Euler-Bernoulli and Timoshenko beams theories are developed. Mathematical model for perforated nanobeam structure including surface energy effects are derived in comprehensive procedure and nonclassical boundary conditions are presented. Closed forms for the nonclassical bending and rotational displacements are derived for both theories considering all classical and nonclassical kinematics and kinetics boundary conditions. Additionally, both uniformly distributed and concentrated loads are considered. The developed methodology is verified and compared with the available results and an excellent agreement is noticed. Both classical and nonclassical bending profiles for both thin and thick perforated nanobeams are investigated. Numerical results are obtained to illustrate effects of beam filling ratio, the number of hole rows through the cross section, surface material characteristics, beam slenderness ratio as well as the boundary and loading conditions on the non-classical bending behavior of perforated nanobeams in the presence of surface effects. It is found that, the surface residual stress has more significant effect on the bending deflection compared with the corresponding effect of the surface elasticity, Es. The obtained results are supportive for the design, analysis and manufacturing of perforated nanobeams.
Aluminum alloy(AC8A) matrix composites reinforced with SiC particles(10% in vol.) were fabricated by Centrifugal Spray Deposition(CSD) process. The microstructures were investigated in order to evaluate both the mixing mode between aluminum matrix and SiC particles, and the effect of SiC particles on the cooling behaviours of droplets during flight and preforms deposited. A non-continuum mathematical calculation was performed to explain and to quantify the evolution of microstructures in the droplets and preforms deposited. Conclusions obtained are as follows; 1. The powders produced by CSD process showed, in general, ligament type, and more than 60% of the powders produced were about 300 to 850 um in size. 2. AC8A droplets solidified during flight showed fine dendritic structure, but AC8A droplets mixed with SiC particles showed fine equiaxed grain structure, and eutectic silicon were formed to crystallize granularly between fine aluminum grains. 3. SiC particles seem to act as a nucleation sites for pro-eutectic silicon during solidification of AC8A alloy. 4. The microstructure of composite powders formed by CSD process showed particle embedded type, and resulted in dispersed type microstructure in preforms deposited. 5. The pro-eutectic silicon crystallized granularly between fine aluminum grains seem to prohibit grains from growth during spray deposition process. 6. The interfacial reactions between aluminum matrix and SiC particles were not observed from the deposit performs and the solidified droplets. 7. The continuum model seem to be useful in connecting the processing parameters with the resultant microstructures. From these results, it was concluded that the fabrication of aluminum matrix composites reinforced homogeneously with SiC particles was possible.
Tahouneh, Vahid;Naei, Mohammad Hasan;Mashhadi, Mahmoud Mosavi
Steel and Composite Structures
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v.34
no.2
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pp.261-277
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2020
The main objective of this research paper is to consider vibration analysis of vacancy defected graphene sheet as a nonisotropic structure via molecular dynamic and continuum approaches. The influence of structural defects on the vibration of graphene sheets is considered by applying the mechanical properties of defected graphene sheets. Molecular dynamic simulations have been performed to estimate the mechanical properties of graphene as a nonisotropic structure with single- and double- vacancy defects using open source well-known software i.e., large-scale atomic/molecular massively parallel simulator (LAMMPS). The interactions between the carbon atoms are modelled using Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order (AIREBO) potential. An isogeometric analysis (IGA) based upon non-uniform rational B-spline (NURBS) is employed for approximation of single-layered graphene sheets deflection field and the governing equations are derived using nonlocal elasticity theory. The dependence of small-scale effects, chirality and different defect types on vibrational characteristic of graphene sheets is investigated in this comprehensive research work. In addition, numerical results are validated and compared with those achieved using other analysis, where an excellent agreement is found. The interesting results indicate that increasing the number of missing atoms can lead to decrease the natural frequencies of graphene sheets. It is seen that the degree of the detrimental effects differ with defect type. The Young's and shear modulus of the graphene with SV defects are much smaller than graphene with DV defects. It is also observed that Single Vacancy (SV) clusters cause more reduction in the natural frequencies of SLGS than Double Vacancy (DV) clusters. The effectiveness and the accuracy of the present IGA approach have been demonstrated and it is shown that the IGA is efficient, robust and accurate in terms of nanoplate problems.
In situ rock mass is generally heterogeneous and discontinuous, with varying degrees of strength along the planes of weakness. The planes of weakness such as joints, faults, cracks and bedding planes, control the strength and deformation characteristics of the rock mass. Subsequently, the stability of underground opening depends upon the spatial distribution of discontinuities and their mechanical properties in relation with geometrical shape of openins as well as the mechanical properties of intact rock materials. Understanding the behaviour of a discontinuous rock mass remains a key issue for improving excavation design in hiかy stressed environments. Although recent advances in rock mechanics have provided guidelines for the design of underground opening in isotropic rock mass, prediction and control of deformation in discontinuous rock masses are still unclear. In this study, parametric study was performed to investigate the plastic zone size, stress distribution and deformation behavior around underground opening in a discontinuous rock mass using a continuum joint model. The solutions were obtained by an elasto-plastic finite difference analysis, employing the Mohr-Coulomb failure criteria. Non-associated flow rule and perfectly plastic material behavior are also assumed.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.24
no.1
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pp.119-125
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2018
The particle based computational fluid dynamics (CFD) method, which follow Lagrangian approach for fluid dynamics, fluid particle behavior by tracking all particle calculation physical quantities of each particle. According to basic concept of particle based CFD method, it is difficult to satisfy continuum theory and measure influences from neighboring particle. Article number density and weight function were used to solve aforementioned issue. Difficulties continuum mean simulate non-continuum particles such as solid including granular and sand. In this regard, the particle based CFD method modified solid particle problems by replacing viscous and surface tension forces friction and drag forces. In this paper, particle interaction model for solid particle friction model implemented to simulate solid particle problems. The broken dam problem, which is common to verify particle based CFD method, used fluid or solid particles. The angle of repose was observed in the simulation results the solid particle not fluid particle.
The target of this study is large scale rock slope collapsed by around 7 pm on August, 2012, which is located at ${\bigcirc}{\bigcirc}$ limestone quarries of Gangneung city, Gangwondo. The slope prior to the collapse is formed as the height of about 200 m and the average inclination of $45^{\circ}$. The estimated amount of the collapse is about $1,500,000m^3$ with respect to the slope after the collapse. Geotechnical and field investigations such as boring, geophysical prospecting, surface geological survey, geological lineaments, borehole imaging, metric 3D imaging, experimental and field test, mining work by year, and daily rainfall were performed to find the cause of rock slope failure. Various analyzes using slope mass rating, stereonet projection, limit equilibrium method, continuum and non-continuum model were conducted to check of the stability of the slope. It is expected that the cause of slope failure from the results of various analysis and survey is due to the combined factors such as topography, rainfall, rock type and quality, discontinuities, geo-structural characteristics as the limestone cavity and fault zones, but the failure of slope in case of the analysis without the limestone cavity is not occurred. Safe factor of 0.66 was obtained from continuum analysis of the slope considering the limestone cavity, so the ultimate causes of slope failure is considered to be due to the influence of limestone cavity developed along fault zone.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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