In this paper, the equivalent material properties of cellular metamaterials with different types of perforations have been presented using finite element (FE) simulation of tensile test in Abaqus commercial software. To this end, a Representative Volume Element (RVE) has been considered for each type of cellular metamaterial with regular array of circular, square, oval and rectangular perforations. Furthermore, both straight and perpendicular patterns of oval and rectangular perforations have been studied. By applying Periodic Boundary conditions (PBC) on the RVE, the actual behavior of cellular material under uniaxial tension has been simulated. Finally, the effective Young's modulus, Poisson's ratio and mass density of various metamaterials have been presented as functions of relative density of the RVE
To investigate the effect of spatial variability on hydraulic properties of unsaturated soils, a numerical model is set up which can simulate seepage process in an unsaturated heterogeneous soil. The unsaturated heterogeneous soil is composed of matrix sand embedded with a small proportion of clay for simulating the heterogeneity. Soil-water characteristic curve and unsaturated hydraulic conductivity curve of the unsaturated soil are expressed by Van Genuchten model. Hydraulic parameters of the matrix sand are considered as random fields. Different autocorrelation lengths (ACLs) of hydraulic parameter of the matrix sand and different proportions of clay are assumed to investigate the influence of spatial variability on the equivalent hydraulic properties of the heterogeneous soil. Four model sizes are used in the numerical experiments to investigate the influence of scale effects and to determine the sizes of representative volume element (RVE) in the numerical simulations. Through a number of Monte Carlo simulations of unsaturated seepage analysis, the means and the coefficients of variations (COVs) of the equivalent hydraulic parameters of the heterogeneous soil are calculated. Simulations show that the ACL and model size has little influence on the means of the equivalent hydraulic parameters, but they have a large influence on the COVs of the equivalent hydraulic parameters. The size of an RVE is mainly affected by the ACL and the proportion of heterogeneity. The influence of spatial variability on the hydraulic parameters of the heterogeneous unsaturated soil can be used as a guidance for geotechnical reliability analysis and design related to unsaturated soils.
The effects of nanotechnology and smartness on the buckling reduction of pipes are the main contributions of present work. For this ends, the pipe is simulated with classical piezoelectric polymeric cylindrical shell reinforced by armchair double walled boron nitride nanotubes (DWBNNTs), The structure is subjected to combined electro-thermo-mechanical loads. The surrounding elastic foundation is modeled with a novel model namely as orthotropic nonhomogeneous Pasternak medium. Using representative volume element (RVE) based on micromechanical modeling, mechanical, electrical and thermal characteristics of the equivalent composite are determined. Employing nonlinear strains-displacements and stress-strain relations as well as the charge equation for coupling of electrical and mechanical fields, the governing equations are derived based on Hamilton's principal. Based on differential quadrature method (DQM), the buckling load of pipe is calculated. The influences of electrical and thermal loads, geometrical parameters of shell, elastic foundation, orientation angle and volume percent of DWBNNTs in polymer are investigated on the buckling of pipe. Results showed that the generated ${\Phi}$ improved sensor and actuator applications in several process industries, because it increases the stability of structure. Furthermore, using nanotechnology in reinforcing the pipe, the buckling load of structure increases.
This study has the assumption that scale effects in rock mass properties are atrributed to the discontinuous and inhomogeneous nature of rock masses. In order to escape the general equivalent material approach applied to the concept of representative volume element, this study presents the new method considering irregular i oink geometry and arbitrary numbers of i oink and arbitrary joint orientations. Based on the theoretical approach, this theory is applied to a real engineering project. Showing the property variations with size of rock mass element, various numerical experiments about scale effect are conducted. Particularly, to prove the adequacy of the verification process in scale effect with nomerical method, and to investigate the detailed source of scale effect, 4 models with increas ins number of joints are tested. On the basis of the experimental results, the test results of scale effects in 3-D rock mass are presented. From these experiments the effects of the mechanical properties of rock joints on the scale effects in rock mass strength and elastic constants are discussed. To verify the mechanism of scale effects in jointed rock mass, two models with different j oink geometries are studied.
In general, there are various approaches available in literature to model discontinuous rock masses and engineers are often confused which one to use for designing structures in rock masses. Modelling rock masses can be classified mainly into two approaches. One is discrete modelling of intact rock and discontinuities and the other is the equivalent continuum modelling. In this study five models are selected ;(1) Crack tensor model, (2) Equivalent volume defect model, (3) Damage model, (4) Micro - structure model (Parallel model and Series model), and (5) Homogenization model. Most of these models are mainly concerned with how to define additional strain due to discontinuities over the representative elementary volume (REV) and how to relate the stress field of discontinuities to that acting on the REV. The characteristics of these models are clarified by comparing with results of some laboratory tests.
This study employed a 3-D numerical analysis based on the distinct element method to estimate the strength and deformability of a Cretaceous biotite granitic rock mass at Gijang, Busan, Korea. A workflow was proposed to evaluate the scale effect and the representative elementary volume (REV) of mechanical properties for fractured rock masses. Directional strength and deformability parameters such as block strength, deformation modulus, shear modulus, and bulk modulus were estimated for a discrete fracture network (DFN) in a cubic block the size of the REV. The size of the mechanical REV for fractured rock masses in the study area was determined to be a 15 m cube. The mean block strength and mean deformation modulus of the DFN cube block were found to be 52.8% and 57.7% of the intact rock's strength and Young's modulus, respectively. A constitutive model was derived for the study area that describes the linear-elastic and orthotropic mechanical behavior of the rock mass. The model is expected to help evaluate the stability of tunnels and underground spaces through equivalent continuum analysis.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.46
no.6
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pp.611-621
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2009
This paper first reviews the physical meanings and the expressions of two representative strain rate models: CSM (Cowper-Symonds Model) and JCM (Johnson-Cook Model). Since it is known that the CSM and the JCM are suitable for low-intermediate and intermediate-high rate ranges, many studies regarding marine accidents such as ship collision/grounding and explosion in FPSO have employed the CSM. A formula to predict the material constant of the CSM is introduced from literature survey. Numerical simulations with two different material constitutive equations, classical metal plasticity model based on von Mises yield function and micromechanical porous plasticity model based on Gurson yield function, have been carried out for the stiffened plates under impact loading. Simulation results coincide with experimental results better when using the porous plasticity model.
As a basic study for investigating the development of the stress-induced crack in Hoek-Brown rock, a homogenization technique of elastic cracks is proposed. The onset of crack is monitored by Hoek-Brown empirical criterion, while the orientation of the crack is determined by the critical plane approach. The concept of volume averaging in stress and strain component was invoked to homogenize the representative rock volume which consists of intact rock and cracks. The formulation results in the constitutive relations for the homogenized equivalent anisotropic material. The homogenization model was implemented in the standard FEM code COSMOSM. The numerical uniaxial tests were performed under plane strain condition to check the validity of the propose numerical model. The effect of friction between the loading plate and the rock sample on the mode of deformation and fracturing was examined by assuming two different contact conditions. The numerical simulation revealed that the homogenized model is able to capture the salient features of deformation and fracturing which are observed commonly in the uniaxial compression test.
Kim, Myung-Jun;Park, Sung-Ho;Park, Jung-Sun;Lee, Woo-Il;Kim, Min-Sung
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.1
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pp.17-24
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2013
In this paper, a micro-mechanical failure prediction program is developed based on SIFT (Strain Invariant Failure Theory) by using the multi-scale modeling method for fiber-reinforced composite materials. And the failure analysis are performed for open-hole composite laminate specimen in order to verify the developed program. First of all, the critical strain invariants are obtained through the tensile tests for three types of specimens. Also, the matrices of strain amplification factors are determined through the finite element analysis for micro-mechanical model, RVE (Representative Volume Element). Finally, the microscopic failure analysis is performed for the open-hole composite laminate specimen model by applying a failure load obtained from tensile test, and the predicted failure indices are evaluated for verification of the developed program.
Extensive numerical experiments have been carried out to investigate effect of block size and fracture geometry on hydraulic characteristics of fractured rock masses based on connected pipe flow in DFN systems. Using two fracture sets, a total of 72 2-D fracture configurations were generated with different combinations of fracture size distribution and deterministic fracture density. The directional block conductivity including the theoretical block conductivity, principal conductivity tensor and average block conductivity for each generated fracture network system were calculated using the 2-D equivalent pipe network method. There exist significant effects of block size, orientation, density and size of fractures in a fractured rock mass on its hydraulic behavior. We have been further verified that it is more difficult to reach the REV size for the fluid flow network with decreasing intersection angle of two fracture sets, fracture plane density and fracture size distribution.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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