In this paper optimization of volume fraction distribution in a thick hollow cylinder with finite length made of two-dimensional functionally graded material (2D-FGM) and subjected to steady state thermal and mechanical loadings is considered. The finite element method with graded material properties within each element (graded finite elements) is used to model the structure. Volume fractions of constituent materials on a finite number of design points are taken as design variables and the volume fractions at any arbitrary point in the cylinder are obtained via cubic spline interpolation functions. The objective function selected as having the normalized effective stress equal to one at all points that leads to a uniform stress distribution in the structure. Genetic Algorithm jointed with interior penalty-function method for implementing constraints is effectively employed to find the global solution of the optimization problem. Obtained results indicates that by using the uniform distribution of normalized effective stress as objective function, considerably more efficient usage of materials can be achieved compared with the power law volume fraction distribution. Also considering uniform distribution of safety factor as design criteria instead of minimizing peak effective stress affects remarkably the optimum volume fractions.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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1984.07a
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pp.7-21
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1984
Entrainment and deposition experiments were counducted in fresh water on four groups of sediments: three well-defined sediments of uniform composition and narrow-size distribution (1 to 9 um, 10 to 50 um, and 50 to 90 um), and a fourth group which was a mixture of these three sediments. In the entrainment experiments and at a particular stress, the steady-state suspended sediment concentration of the coarse group was the lowest while the concentrations of the fine and medium groups were higher that that of the coarse group but were similar to each other. Deposition experiments generally showed an exponential decrease of suspended sediment concentration with time with the decay time being a function of particle size and applied stress.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.17
no.6
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pp.597-604
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2015
When a tunnel is constructed by drilling and blasting operation, the excavated perimeter becomes uneven due to overbreak at the drill holes so that the thickness of shotcrete tends to be irregular. In this case, the conventional stress analyses for tunnel lining of a uniform thickness cannot be readily applicable. In this study, the profile of tunnel perimeter assumed to be sinusoidal in order to simulate the uneven tunnel perimeter and to control the thickness of shotcrete by using the amplitude and wavelength. By adopting the sinusoidal function to a theoretical solution of stress analysis for uniform lining, the range of axial stress of irregular shotcrete can be estimated. The applicability of the approximate solution has been verified by performing a series of numerical analyses for various conditions. It is shown that the axial stress of shorcrete is highly dependent upon the irregularity of shotcrete, together with the ground property and initial stress conditions. It is also shown the shear stress is dependent upon the wavelength, and the stress condition becomes unfavorable where the thickness of shotcrete is relatively small. The approach developed in this study shows that the stress state where the thickness is relatively small is unfavourable, and it is necessary to take complementary measures when installing shotcrete after blasting.
Metallic annular discs with their outer boundary fully constrained are studied with newly derived semi-analytical solutions for the effects of thickness variations under thermal loading and unloading. The plane stress and axisymmetric assumptions were adopted, and the thickness of the disk depends on the radius hyperbolically with an exponent n. Furthermore, it is assumed that the stress state is two dimensional and temperature is uniform in the domain. The solutions include the elastic, elastic-plastic and plastic-collapse behavior, depending on the values of temperature. The von Mises type yield criterion is adopted in this work. The material properties, Young's modulus, yield stress and thermal expansion coefficient, are assumed temperature dependent, while the Poisson's ratio is assumed to be temperature independent. It is found that for any n values, if the normalized hole radius a greater than 0.6, the normalized temperature difference between the elastically reversible temperature and plastic collapse temperature is a monotonically decreasing function of inner radius. For small holes, the n values have strong effects on the normalized temperature difference. Furthermore, it is shown that thickness variations may have stronger effects on the strain distributions when temperature-dependent material properties are considered.
The compression creep behavior of grains when loaded depends not only on load but also on duration of load application. The most common methods of studying the load-time characteristics of agricultural products is by employing rheological models such as Burger's model. However it is sometimes not sufficient to describe the viscoelastic behavior of grains to be Burger's model. For this reason, this study was conducted to develop the rheological model which represented the creep compliance response of the rough rice kernel and was a function of initial stress applied and time. The effects of the initial stress applied and the moisture content on the compression creep behavior of the rough rice kernel were analyzed. The results were obtained from the study as follows: 1. Since the viscoelastic behavior of the rough rice kernel was nonlinear, the transient and steady state creep compliance was satisfactorily modelled as follows: $$J({\sigma},t)=A{\sigma}^B[C+Dt-exp(-Ft)]$$ But, for the every stress applied, the compression creep behavior of the samples tested can be well described by Burger's model respectively. 2. The creep compliance, the instantaneous elastic strain, the retarded elastic strain and the viscous strain of the sample tested generally increased in magnitude with increasing the applied initial stress and the moisture content used in the tests. At low moisture content, the creep compliance for the Japonica-type rough rice kernel Was a little higher than those for Indica-type and at high moisture content, vice versa at high moisture content. 3. The retardation times of the samples had not an uniform tendency by the initial stress and the moisture content. The retardation times ranged from 0.66 to 6.76 seconds, and the creep progressed from transient to steady state at a relatively high rate. 4. The less viscous strain than the instantaneous elastic strain for the samples tested indicated that rough rice kernel behaved as a viscoelastic body characterized by elasticity than viscosity.
In this paper, an analytical solution of displacement, strain and stress field for rotating thick-walled cylinder made of functionally graded material subjected to the uniform external magnetic field and thermal field in plane strain state has been studied. Stress, strain and displacement field as a function of radial coordinates considering magneto-thermo-elasticity are derived analytically. According to the Maxwell electro-dynamic equations, Lorentz force in term of displacement is obtained in cylindrical coordinates. Also, symmetric temperature distribution along the thickness of hollow cylinder is obtained by solving Fourier heat transfer equation in cylindrical coordinates. Using equation of equilibrium and thermo-mechanical constitutive equations associated with Lorentz force, a second-order inhomogeneous differential equation in term of displacement is obtained and will be solved analytically. Except Poisson's ratio, other mechanical properties such as elasticity modulus, density, magnetic permeability coefficient, heat conduction coefficient and thermal expansion coefficient are assumed to vary through the thickness according to a power law. In results analysis, non-homogeneity parameter has been chosen arbitrary and inner and outer surface of cylinder are assumed to be rich metal and rich ceramic, respectively. The effect of rotation, thermal, magnetic field and non-homogeneity parameter of functionally graded material which indicates percentages of cylinder's constituents are studied on displacement, Von Mises equivalent stress and Von Mises equivalent strain fields.
Rad, A. Behravan;Farzan-Rad, M.R.;Majd, K. Mohammadi
Structural Engineering and Mechanics
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v.64
no.5
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pp.591-610
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2017
This paper is concerned with the static analysis of variable thickness of two directional functionally graded porous materials (FGPM) circular plate resting on a gradient hybrid foundation (Horvath-Colasanti type) with friction force and subjected to compound mechanical loads (e.g., transverse, in-plane shear traction and concentrated force at the center of the plate).The governing state equations are derived in terms of displacements based on the 3D theory of elasticity, assuming the elastic coefficients of the plate material except the Poisson's ratio varying continuously throughout the thickness and radial directions according to an exponential function. These equations are solved semi-analytically by employing the state space method (SSM) and one-dimensional differential quadrature (DQ) rule to obtain the displacements and stress components of the FGPM plate. The effect of concentrated force at the center of the plate is approximated with the shear force, uniformly distributed over the inner boundary of a FGPM annular plate. In addition to verification study and convergence analysis, numerical results are displayed to show the effect of material heterogeneity indices, foundation stiffness coefficients, foundation gradient indices, loads ratio, thickness to radius ratio, compressibility, porosity and friction coefficient of the foundation on the static behavior of the plate. Finally, the responses of FG and FG porous material circular plates to compound mechanical loads are compared.
Farzampour, Alireza;Eatherton, Matthew R.;Mansouri, Iman;Hu, Jong Wan
Smart Structures and Systems
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v.23
no.4
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pp.329-335
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2019
Structural fuses are made up from oriented steel plates to be used to resist seismic force with shear loading resistance capabilities. The damage and excessive inelastic deformations are concentrated in structural fuses to avoid any issues for the rest of the surrounding elements. Recently developed fuse plates are designed with engineered cutouts leaving flexural or shear links with controlled yielding features. A promising type of link is proposed to align better bending strength along the length of the link with the demand moment diagram is a butterfly-shaped link. Previously, the design methodologies are purely based on the flexural stresses, or shear stresses only, which overestimate the dampers capability for resisting against the applied loadings. This study is specifically focused on the optimized design methodologies for commonly used butterfly-shaped dampers. Numerous studies have shown that the stresses are not uniformly distributed along the length of the dampers; hence, the design methodology and the effective implementation of the steel need revisions and improvements. In this study, the effect of shear and flexural stresses on the behavior of butterfly-shaped links are computationally investigated. The mathematical models based on von-Mises yielding criteria are initially developed and the optimized design methodology is proposed based on the yielding criterion. The optimized design is refined and investigated with the aid of computational investigations in the next step. The proposed design methodology meets the needs of optimized design concepts for butterfly-shaped dampers considering the uniform stress distribution and efficient use of steel.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.2
no.3
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pp.1-11
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2011
The typical truss-lattice material successively packed by repeated cubic symmetric unit cells consists of sub-elements (SE) proposed in this study. The representative continuum model for this truss-lattice material such as the effective strain and stress relationship can be formulated by the homogenization procedure based on the notation of averaged mechanical properties. The volume fractions of micro-scale struts have a significant influence on the effective strength as well as the relative density in the lattice plate with replicable unit cell structures. Most of the strength contribution in the lattice material is induced by axial stiffness under uniform stretching or compression responses. Therefore, continuum based constitutive models composed of homogenized member stiffness include these mechanical characteristics with respect to strength, internal stress state, material density based on the volume fraction and even failure modes. It can be also recognized that the stress state of micro-scale struts is directly associated with the continuum constitutive model. The plastic flow at the micro-scale stress can extend the envelope of the analytical stress function on the surface of macro-scale stress derived from homogenized constitutive equations. The main focus of this study is to investigate the basic topology of unit cell structures with the cubic symmetric system and to formulate the plastic models to predict pressure dependent macro-scale stress surface functions.
Tran, Van Mien;Stitmannaithum, Boonchai;Nawa, Toyoharu
Computers and Concrete
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v.8
no.3
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pp.343-355
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2011
This paper presented the model to predict the chloride diffusion coefficient in tension zone of plain concrete under flexural cyclic load. The fictitious crack based analytical model was used together with the stress degradation law in cracked zone to predict crack growth of plain concrete beams under flexural cyclic load. Then, under cyclic load, the chloride diffusion, in the steady state and one dimensional regime, through the tension zone of the plain concrete beam, in which microcracks were formed by a large number of cycles, was simulated with assumptions of continuously straight crack and uniform-size crack. The numerical analysis in terms of the chloride diffusion coefficient, $D_{tot}$, normalized $D_{tot}$, crack width and crack length was issued as a function of the load cycle, N, and load level, SR. The nonlinear model as regarding with the chloride diffusion coefficient in tension zone and the load level was proposed. According to this model, the chloride diffusion increases with increasing load level. The predictions using model fit well with experimental data when we adopted suitable crack density and tortuosity parameter.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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