Hertzian indentation tests with sphere indenters were used to study the mechanical properties of glass-in-filtrated alumina and spinel composites and evaluated the effect of preform microstructure and evaluated the effect of preform microstructure and glass con-tents on contanct damage and strength. The spinel composite showed more brittle behavior than the alumina composite which is verified from indentation stress-strain curve cone cracks and quasi-plastic deformation developed at subsurface. Failure originated from either cone cracks(brittle mode) or deformation zone(quasi-plastic mode) above critical load for cracking(Pc) and yield ({{{{ {P }_{Y } }}) with the brittle mode more dominant in the spinels and the quasi-plastic mode more dominant in the aluminas. Even though brittle mode was dominant in the spinel composites the strength degradation from accumulation of damage above these critical loads was conspicuously small suggesting that the glass-infiltrated composites should be highly damage tolerant to the blunt contacts.
Finite element analysis is one of the most used tools for studying femoral neck fracture. Nerveless, consensus concerning either the choice of material characteristics, damage law and /or geometric models (linear on nonlinear) remains unreached. In this work, we propose a numerical quasi-brittle damage model to describe the behavior of the proximal femur associated with two methods to evaluate the Young modulus. Eight proximal femur finite elements models were constructed from CT scan data (4 donors: 3 women; 1 man). The numerical computations showed a good agreement between the numerical curves (load - displacement) and the experimental ones. A very encouraging result is obtained when a comparison is made between the computed fracture loads and the experimental ones ($R^2=0.825$, Relative error =6.49%). All specific numerical computation provided very fair qualitative matches with the fracture patterns for the sideway fall simulation. Finally, the comparative study based on 32 simulations adopting linear and nonlinear meshing led to the conclusion that the quantitatively results are improved when a nonlinear mesh is used.
In this paper, a simple and accurate finite element model coupled to quasi-brittle damage law able to describe the multiple cracks initiation and their progressive propagation is developed in order to predict the complete force-displacement curve and the fracture pattern of human proximal femur under quasi-static load. The motivation of this work was to propose a simple and practical FE model with a good compromise between complexity and accuracy of the simulation considering a limited number of model parameters that can predict proximal femur fracture more accurately and physically than the fracture criteria based models. Different damage laws for cortical and trabecular bone are proposed based on experimental results to describe the inelastic damage accumulation under the excessive load. When the damage parameter reaches its critical value inside an element of the mesh, its stiffness matrix is set to zero leading to the redistribution of the stress state in the vicinity of the fractured zone (crack initiation). Once a crack is initiated, the propagation direction is simulated by the propagation of the broken elements of the mesh. To illustrate the potential of the proposed approach, the left femur of a male (age 61) previously investigated by Keyak and Falkinstein, 2003 (Model B: male, age 61) was simulated till complete fracture under one-legged stance quasi-static load. The proposed finite element model leads to more realistic and precise results concerning the shape of the force-displacement curve (yielding and fracturing) and the profile of the fractured edge.
The 2D representative volume element (RVE) for softening quasi-brittle materials like concrete is determined. Two alternative methods are presented to determine a size of RVE in concrete subjected to uniaxial tension by taking into account strain localization. Concrete is described as a heterogeneous three-phase material composed of aggregate, cement matrix and bond. The plane strain FE calculations of strain localization at meso-scale are carried out with an isotropic damage model with non-local softening.
Frank, Andreas O.;Adley, Mark D.;Danielson, Kent T.;McDevitt, Henry S. Jr.
Computers and Concrete
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제9권4호
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pp.311-325
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2012
In this paper, we examine the behavior of the High-Rate Brittle Microplane (HRBM) concrete model based on a series of penetration experiments. These experiments were conducted with three different slab thicknesses (127, 216 and 254 mm) that provided a significant challenge for the numerical simulations. The 127 mm slab provided little resistance, the 216 mm slab provided nominal resistance and the 254 mm slab approached the perforation limit thickness of the projectile. These experiments provide a good baseline for evaluating material models since they have been shown to be extremely challenging; in fact, we have not encountered many material models that can provide quantitatively predictive results in terms of both projectile exit velocity and material damage. In a companion paper, we described the HRBM material model and its fit to various quasi-static material property data for WES-5000 concrete. In this paper, we show that, when adequately fit to these quasi-static data, the HRBM model does not have significant predictive capabilities, even though the quasi-static material fit may be exceptional. This was attributed to the rate-dependent response of the material. After various rate effects were introduced into the HRBM model, the quantitative predictive nature of the calculations dramatically increased. Unfortunately, not much rate-dependent material property data are in the literature; hence, accurate incorporation of rate effects into material models is difficult. Nonetheless, it seems that rate effects may be critical in obtaining an accurate response for concrete during projectile perforation events.
이 논문에서는 인장과 압축하중에 놓은 무근 콘크리트와 철근콘크리트 구조물의 거동을 모사하기 위해 비국소화 이방성 손상모델을 제안하였다. 손상변수로써 대칭형의 이차 텐서을 사용한 연속체 손상모델에 기초한다. 콘크리트와 같은 준-취성재료에 있어 손상양상은 인장부와 압축부에서 다른 양상을 나타낸다. 이러한 두 개의 손상영역은 전체 변형률 텐서의 주변형률 성분을 손상텐서 속도에 비례하는 손상진전 법칙을 이용하여 모델링하였다. 제안된 모델의 유효성을 검토하기 위해 nooru-mohamed에 의해 실시된 이중 노치가 있는 시험체와 철근콘크리트 휨 시험체를 대상으로 해석을 수행하였다. 해석결과, 비국소화 이방성 모델은 혼합모드 파괴에 대한 균열진전을 적절히 모사할 수 있었으며 철근콘크리트 휨 시험체의 구조적 파괴에 있어서도 높은 수준의 콘크리트 손상 및 철근의 항복까지를 해석할 수 있었다.
Ceramic Matrix Composites (CMCs) represent a class of non-brittle refractory materials for harsh and extreme environments in aerospace and other applications. The quasi-ductility of these structural materials depends on the quality of the interface between the matrix and the fiber surface. In this study, a manufacture route is described where in contrast to most other processes no additional fiber coating is used to adjust the fiber/matrix interfaces in order to obtain damage tolerance and fracture toughness. Adapted microstructures of uncoated carbon fiber preforms were developed to permit the rapid infiltration of molten alloys and the subsequent reaction with the carbon matrix. Furthermore, any direct reaction between the melt and fibers was minimized. Using pure silicon as the reactive melt, C/SiC composites were manufactured with an aim of employing the resulting composite for friction applications. This paper describes the formation of the microstructure inside the C/C preform and resulting C/C-SiC composite, in addition to the MAX phases.
Numerical analysis is carried out to identify the appropriateness of the design codes that is available for the tensile design of fastening system at Nuclear Power Plant (NPP) in this study. This study is intended for the cast-in-place anchor that is widely used for the fastening of equipment in Korean NPPs. The microplane model and the elastic-perfectly plastic model are employed for the quasi-brittle material like concrete and for the ductile material like anchor bolt as constitutive model for numerical analysis and smeared crack model is employed for the crack and damage phenomena. The developed numerical model is verified on a basis of the various test data of cast-in-place anchor. The appropriateness of both ACI 349 Code and CCD approach of CEB-FIP Code is evaluated for the tensile design of cast-in-place anchor and it is proved that both design codes give a conservative results compared with real tensile capacity of cast-in-place anchor.
Kalyana Rama, J.S.;Chauhan, D.R.;Sivakumar, M.V.N;Vasan, A.;Murthy, A. Ramachandra
Structural Engineering and Mechanics
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제64권1호
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pp.59-69
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2017
The field of fracture mechanics has gained significance because of its ability to address the behaviour of cracks. Predicting the fracture properties of concrete based on experimental investigations is a challenge considering the quasi-brittle nature of concrete. So, there is a need for developing a standard numerical tool which predicts the fracture energy of concrete which is at par with experimental results. The present study is an attempt to evaluate the fracture energy and characteristic length for different grades of concrete using Concrete Damage Plasticity (CDP) model. Indian Standard and EUROCODE are used for the basic input parameters of concrete. Numerical evaluation is done using Finite Element Analysis Software ABAQUS/CAE. Hsu & Hsu and Saenz stress-strain models are adopted for the current study. Mesh sensitivity analysis is also carried to study the influence of type and size of elements on the overall accuracy of the solution. Different input parameters like dilatation angle, eccentricity are varied and their effect on fracture properties is addressed. The results indicated that the fracture properties of concrete for various grades can be accurately predicted without laboratory tests using CDP model.
Adobe is one of the oldest construction materials that is still used in many seismic countries, and different construction techniques are found around the world. The adobe material is characterized as a brittle material; it has acceptable compression strength but it has poor performance under tensile and shear loading conditions. Numerical modelling is an alternative approach for studying the nonlinear behaviour of masonry structures such as adobe. The lack of a comprehensive experimental database on the adobe material properties motivated the study developed here. A set of a reference material parameters for the adobe were obtained from a calibration of numerical models based on a quasi-static cyclic in-plane test on full-scale adobe wall representative of the typical Peruvian adobe constructions. The numerical modelling, within the micro and macro modelling approach, lead to a good prediction of the in-plane seismic capacity and of the damage evolution in the adobe wall considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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