We present a full energy and force formulation of the quasicontinuum method with non-local and local transition elements. Non-local transition elements are developed to transmit inhomogeneity from the atomistic to the continuum regions. Local transition elements are developed to resolve the mathematical mismatch between non-local atoms and the local continuum. The rationale behind these transition elements is provided by analyzing the energy and force transitions between atoms and continuum under the Cauchy-Born rule. We show that breakdown of the Cauchy-Born rule occurs for slaved atoms of local elements within the cutoff of non-local atoms. The inadequacy of the Cauchy-Born rule at the transition region naturally leads to the need of atomistic treatment of transition slaved and transition representative atoms. Such an atomistic treatment together with a full or cutoff sampling allows non-local transition elements containing these transition entities to transmit inhomogeneity. Different force formulations for transition representative atoms and pure local representative atoms allow the local transition elements to resolve non-local and local mismatches. The method presented herein is validated by force calculations in an unstressed perfect crystal as well as an unrelaxed grain boundary model. A nanoindentation simulation in 3D is conducted to demonstrate the accuracy and efficiency of the proposed method.
The present paper is focused on the study of the propagation of plane waves in thermoelastic media under a modified Green-Lindsay (MG-L) model having the influence of non-local and two temperature. The problem is formulated for the considered model in dimensionless form and is explained by using the reflection phenomenon. The plane wave solution of these equations indicates the existence of three waves namely Longitudinal waves (LD-Wave), Thermal waves (T-wave), and Shear waves (SV-wave) from a stress-free surface. The variation of amplitude ratios is computed analytically and depicted graphically against the angle of incidence to elaborate the impact of non-local, two temperature, and different theories of thermoelasticity. Some particular cases of interest are also deduced from the present investigation. The present study finds applications in a wide range of problems in engineering and sciences, control theory, vibration mechanics, and continuum mechanics.
This paper assesses efficiency of the continuum method as the idealized system of building structures. A modified Coupled Two-Beam (CTB) model equipped with classical and non-classical damping has been proposed and solved analytically. In this system, complementary (non-classical) damping models composed of bending and shear mechanisms have been defined. A spatial shear damping model which is non-homogeneously distributed has been adopted in the CTB formulation and used to equivalently model passive dampers, viscous and viscoelastic devices, embedded in building systems. The application of continuum-based models for the dynamic analysis of shear wall systems has been further discussed. A reference example has been numerically analyzed to evaluate the efficiency of the presented CTB, and the optimization problems of the shear damping have been finally ascertained using local and global performance indices. The results reveal the superior performance of non-classical damping models against the classical damping. They show that the critical position of the first modal rotation in the CTB is reliable as the optimum placement of the shear damping. The results also prove the good efficiency of such a continuum model, in addition to its simplicity, for the fast estimation of dynamic responses and damping optimization issues in building systems.
The paper presents experimental and numerical investigations of prefabricated composite structural building reinforced concrete slabs with the insulating material for a residential building construction. The building slabs were composed of concrete and expanded polystyrene. In experiments, the slabs in the full-scale 1:1 were subjected to vertical concentrated loads and failed along a diagonal shear crack. The experiments were numerically evaluated using the finite element method based on two different constitutive continuum models for concrete. First, an elasto-plastic model with the Drucker-Prager criterion defined in compression and with the Rankine criterion defined in tension was used. Second, a coupled elasto-plastic-damage formulation based on the strain equivalence hypothesis was used. In order to describe strain localization in concrete, both models were enhanced in the softening regime by a characteristic length of micro-structure by means of a non-local theory. Attention was paid to the formation of critical diagonal shear crack which was a failure precursor.
For the first time, nonlocal damped vibration and buckling analyses of arbitrary tapered bidirectional functionally graded solid circular nano-plate (BDFGSCNP) are presented by employing modified spectral Ritz method. The energy method based on Love-Kirchhoff plate theory assumptions is applied to derive neutral equilibrium equation. The Eringen's nonlocal continuum theory is taken into account to capture small-scale effects. The characteristic equations and corresponding first mode shapes are calculated by using a novel modified basis in spectral Ritz method. The modified basis is in terms of orthogonal shifted Chebyshev polynomials of the first kind to avoid employing adhesive functions in the spectral Ritz method. The fast convergence and compatibility with various conditions are advantages of the modified spectral Ritz method. A more accurate multivariable function is used to model two-directional variations of elasticity modulus and mass density. The effects of nanoscale, in-plane pre-load, distributed dashpot, arbitrary tapering, pinned and clamped boundary conditions on natural frequencies and buckling loads are investigated. Observing an excellent agreement between results of current work and outcomes of previously published works in literature, indicates the results' accuracy in current work.
The paper presents quasi-static plane strain FE-simulations of strain localization in reinforced concrete beams without stirrups. The material was modeled with two different isotropic continuum crack models: an elasto-plastic and a damage one. In case of elasto-plasticity, linear Drucker-Prager criterion with a non-associated flow rule was defined in the compressive regime and a Rankine criterion with an associated flow rule was adopted in the tensile regime. In the case of a damage model, the degradation of the material due to micro-cracking was described with a single scalar damage parameter. To ensure the mesh-independence and to capture size effects, both criteria were enhanced in a softening regime by nonlocal terms. Thus, a characteristic length of micro-structure was included. The effect of a characteristic length, reinforcement ratio, bond-slip stiffness, fracture energy and beam size on strain localization was investigated. The numerical results with reinforced concrete beams were quantitatively compared with corresponding laboratory tests by Walraven (1978).
Marzec, Ireneusz;Skarzynski, Lukasz;Bobinski, Jerzy;Tejchman, Jacek
Computers and Concrete
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v.12
no.5
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pp.585-612
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2013
The paper presents quasi-static numerical simulations of the behaviour of short reinforced concrete beams without shear reinforcement under mixed shear-tension failure using the FEM and four various constitutive continuum models for concrete. First, an isotropic elasto-plastic model with a Drucker-Prager criterion defined in compression and with a Rankine criterion defined in tension was used. Next, an anisotropic smeared crack and isotropic damage model were applied. Finally, an elasto-plastic-damage model was used. To ensure mesh-independent FE results, to describe strain localization in concrete and to capture a deterministic size effect, all models were enhanced in a softening regime by a characteristic length of micro-structure by means of a non-local theory. Bond-slip between concrete and reinforcement was considered. The numerical results were directly compared with the corresponding laboratory tests performed by Walraven and Lehwalter (1994). The advantages and disadvantages of enhanced models to model the reinforced concrete behaviour were outlined.
The article is about the theoretical analysis of the transmission and reflection of elastic waves through the interface of perfectly connected materials. The solid continuum mediums considered are piezoelectric semiconductors and transversely isotropic in nature. The connection among the mediums is considered in such a way that it holds the continuity property of field variables at the interface. The concept of strain and stress introduced by non-local theory is also being involved to make the study more applicable It is found that, the incident wave results in the generation of four reflected and three transmitted waves including the thermal and elastic waves. The thermal waves generated in the medium are encountered by using the concept of three phase lag heat model along with fractional ordered time thermoelasticity. The results obtained are calculated graphically for a ZnO material with piezoelectric semiconductor properties for medium M1 and CdSc material with transversely isotropic elastic properties for medium M2. The influence of fractional order parameter, non-local parameter, and steady carrier density parameter on the amplitude ratios of reflected and refraction waves are studied graphically by MATLAB.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.2
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pp.209-218
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2017
Sea ice is the main factor affecting the safety of the Arctic engineering. However, traditional numerical methods derived from classical continuum mechanics have difficulties in resolving discontinuous problems like ice damage. In this paper, a non-local, meshfree numerical method called "peridynamics", which is based on integral form, was applied to simulate the interaction between level ice and a cylindrical, vertical, rigid structure at different velocities. Ice in the simulation was freshwater ice and simplified as elastic-brittle material with a linear elastic constitutive model and critical equivalent strain criterion for material failure in state-based peridynamics. The ice forces obtained from peridynamic simulation are in the same order as experimental data. Numerical visualization shows advantages of applying peridynamics on ice damage. To study the repetitive nature of ice force, damage zone lengths of crushing failure were computed and conclude that damage zone lengths are 0.15-0.2 times as ice thickness.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2002.05a
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pp.137-142
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2002
The fluid mechanics and operating conditions of gas-lubricated proceeding bearings in micro rotating machinery such as micro polarization modulator and micro gas turbine are different from their larger size ones. Due to non-continuum effects, there is a slip of gas at the walls. Thus in this paper, the slip flow effect is considered to estimate the pressure distribution and load-carrying capacity of micro gas-lubricated proceeding bearings as the local Knudsen number at the minimum film thickness is greater than 0.01. Based on the compressible Reynolds equation with slip flow, the static characteristics of micro gas-lubricated proceeding bearings are obtained. Numerical predictions compare the pressure distribution and load capacity considering slip flow with the performance of micro proceeding bearings without slip f]ow for a range of bearing numbers and eccentricities. The results clearly show that the slip flow effect on the static characteristics is considerable and becomes more significant as temperature increases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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