A combined BIE-FE method for the Stokes equations

A numerical algorithm for the biharmonic equation in domains with piecewise smooth boundaries is presented. It is intended for problems describing the Stokes flow in the situations where one has corners or cusps formed by parts of the domain boundary and, due to the nature of the boundary conditions on these parts of the boundary, these regions have a global effect on the shape of the whole domain and hence have to be resolved with sufficient accuracy. The algorithm combines the boundary integral equation method for the main part of the flow domain and the finite-element method which is used to resolve the corner/cusp regions. Two parts of the solution are matched along a numerical ‘internal interface’ or, as a variant, two interfaces, and they are determined simultaneously by inverting a combined matrix in the course of iterations. The algorithm is illustrated by considering the flow configuration of ‘curtain coating’, a flow where a sheet of liquid impinges onto a moving solid substrate, which is particularly sensitive to what happens in the corner region formed, physically, by the free surface and the solid boundary. The ‘moving contact line problem’ is addressed in the framework of an earlier developed interface formation model which treats the dynamic contact angle as part of the solution, as opposed to it being a prescribed function of the contact line speed, as in the so-called ‘slip models’. Keywords: Dynamic contact angle; finite elements; free surface flows; hybrid numerical technique; Stokes equations.

Evaluation of parameters effective in FRP shear strengthening of RC beams using FE method

Shear strengthening is required when an RC beam is found deficient in shear, or when its shear capacity falls below its flexural capacity after flexural strengthening. A recent technique for the shear strengthening of RC beams is to provide additional FRP web reinforcement, commonly in the form of bonded external FRP strips/sheets. Over the last few years, several experimental studies have been conducted on this new strengthening technique, which has established its effectiveness. While experimental methods of investigation are extremely useful in obtaining information about the composite behaviour of FRP and reinforced concrete, the use of numerical models such as the one presented in this paper helps in developing a good understanding of the behaviour at lower costs. In the study presented in this paper, ANSYS finite element program is used to examine the response of beams strengthened in shear by FRPs. The FE model is calibrated against test results performed at the University of Kentucky. Once validated, the model is used to examine the influence of fibre orientation, compressive strength of concrete, area of tensile and compressive reinforcements, and amount and distance between stirrups on the strength and ductility of FRP strengthened beam.

A method for calculating the compliance of bonded-interfaces under shrinkage: Validation for Class I cavities

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Generalized Differential Quadrature Finite Element Method applied to Advanced Structural Mechanics

Over the years the Differential Quadrature (DQ) method has distinguished because of its high accuracy, straightforward implementation and general ap- plication to a variety of problems. There has been an increase in this topic by several researchers who experienced significant development in the last years. DQ is essentially a generalization of the popular Gaussian Quadrature (GQ) used for numerical integration functions. GQ approximates a finite in- tegral as a weighted sum of integrand values at selected points in a problem domain whereas DQ approximate the derivatives of a smooth function at a point as a weighted sum of function values at selected nodes. A direct appli- cation of this elegant methodology is to solve ordinary and partial differential equations. Furthermore in recent years the DQ formulation has been gener- alized in the weighting coefficients computations to let the approach to be more flexible and accurate. As a result it has been indicated as Generalized Differential Quadrature (GDQ) method. However the applicability of GDQ in its original form is still limited. It has been proven to fail for problems with strong material discontinuities as well as problems involving singularities and irregularities. On the other hand the very well-known Finite Element (FE) method could overcome these issues because it subdivides the computational domain into a certain number of elements in which the solution is calculated. Recently, some researchers have been studying a numerical technique which could use the advantages of the GDQ method and the advantages of FE method. This methodology has got different names among each research group, it will be indicated here as Generalized Differential Quadrature Finite Element Method (GDQFEM).

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.

Experimental and numerical approaches for structural assessment in new footbridge designs (SFRSCC–GFPR hybrid structure)

Within the civil engineering field, the use of the Finite Element Method has acquired a significant importance, since numerical simulations have been employed in a broad field, which encloses the design, analysis and prediction of the structural behaviour of constructions and infrastructures. Nevertheless, these mathematical simulations can only be useful if all the mechanical properties of the materials, boundary conditions and damages are properly modelled. Therefore, it is required not only experimental data (static and/or dynamic tests) to provide references parameters, but also robust calibration methods able to model damage or other special structural conditions. The present paper addresses the model calibration of a footbridge bridge tested with static loads and ambient vibrations. Damage assessment was also carried out based on a hybrid numerical procedure, which combines discrete damage functions with sets of piecewise linear damage functions. Results from the model calibration shows that the model reproduces with good accuracy the experimental behaviour of the bridge.

Structure-property relationships in polymer nanocomposites

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos

Parametric analysis of different compact tension specimens for fracture toughness characterisation in woven composite materials

Estudi elaborat a partir d’una estada a l’ Imperial College London, entre juliol i novembre de 2006. En aquest treball s’ha investigat la geometria més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. L’objectiu és assegurar la propagació de l’esquerda sense que la proveta falli abans per cap altre mecanisme de dany per tal de permetre la caracterització experimental de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. Amb aquesta fi, s’ha dut a terme l’anàlisi paramètrica de diferents tipus de provetes mitjançant el mètode dels elements finits (FE) combinat amb la virtual crack closure technique (VCCT). Les geometries de les provetes analitzades corresponen a la proveta de l’assaig compact tension (CT) i diferents variacions com la extended compact tension (ECT), la proveta widened compact tension (WCT), tapered compact tension (TCT) i doubly-tapered compact tension (2TCT). Com a resultat d’aquestes anàlisis s’han derivat diferents conclusions per obtenir la geometria de proveta més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. A més, també s’han dut a terme una sèrie d’assaigs experimentals per tal de validar els resultats de les anàlisis paramètriques. La concordança trobada entre els resultats numèrics i experimentals és bona tot i la presència d’efectes no previstos durant els assaigs experimentals.

Komposiittivaipan moderni optimisuunnittelu ja toteutus

Tavoitteena tällä tutkimuksella on soveltaa modernin optimisuunnittelun keinoja komposiittimuovisen nestesäiliön lieriömäisen vaipparakenteen suunnittelemiseksi optimaalisen tyydyttäviksi valmistustekniikan ja kustannusten kannalta. Kuormituksia on kahdenlaisia. Säiliön sisällä on neste, joka tuottaa hydrostaattisen painekuorman ja järjestelmään kytketty puhallin tuottaa ulkoisen ylipaineen. Säiliöt ovat pystysäiliöitä ja ne tukeutuvat alustaan suoran pohjalaatan avulla. FEM- malleissa kuoren alaosat ovat jäykästi kiinnitettyjä ja yläosissa säteensuuntaiset siirtymät ovat estettyjä. Materiaaleiksi kuoreen on valittu kahdella eri menetelmällä lujitetut komposiittimateriaalit. Kantavan kerroksen toimintona on kantaa kuormat. Sulkukerros toimii korroosiosuojana ja sen lujuus on kantavaa kerrosta pienempi. Keinoina käytetään ensin innovatiivista suunnittelua optimaalisten lähtövaihtoehtojen ideoimiseksi ja valitsemiseksi jatkokehittelyä varten. Tavoitteena on asiakkaan tyytyväisyyden maksimointi huomioiden tuotteen kustannukset ja kesto. Yhtenä suunnittelun keinona on käytetty kuoriteoriaa ja komposiittien materiaalimalleja. Kestoehtoina on sovellettu komposiiteille soveltuvia kriteerejä. Toisena keinona käytetään FEM-laskentaa. Elementtityypiksi on valittu kaksiulotteinen kuorielementti, jossa on ortotrooppisen ainemallin mukaiset materiaaliominaisuudet. Jännitystuloksien merkittävyys keston kannalta selvitettiin Tsai-Hillin kriteerillä. Tuloksina saatiin ensin innovoitua rakenteelle kaksi päävaihtoehtoa, joita alettiin optimoida. Valitussa ratkaisussa on huomioitu kokonaisuus ja eri yksityiskohdat, kuten paino, jäykisteet kustannustehokkuus, valmistusnopeus, laatu, hävikit, päästöt, lujuus ja kilpailukykyinen myyntihinta. Yhteenvetona voidaan todeta, että käytetyt keinot ovat hyvin tehokkaita ja niillä voidaan suunnitella ja toteuttaa komposiittirakenteita, jotka tyydyttävät optimaalisesti loppukäyttäjän teknis- taloudelliset vaatimukset. Lisäksi tulokset osoittavat, että standardin ja FEM-laskennan ennustukset ovat lähellä toisiaan sylinterimäisillä kuoriosilla, mutta standardit suosittavat suurempia mittoja itse jäykisteille.

Ultralujasta teräksestä valmistetun henkilönostimen teleskooppipuomin kehittäminen

Tässä työssä kehitettiin palo- ja pelastuskäyttöön tarkoitettuun henkilönostimeen teleskooppipuomin profiilit. Profiilien valmistusmateriaalina oli kuumavalssattu, ultraluja säänkestävä rakenneteräs. Työssä kehitettiin standardien ja ohjeiden pohjalta laskentapohja, jolla voidaan tutkia teleskooppipuomin jaksojen tukireaktioita, taivutus- ja vääntömomentteja ja leikkaus ja normaalivoimia. Laskentapohjassa voidaan varioida eri kuormitusten suuntia, teleskooppipuomin sivusuuntaista ulottumaa ja nostokulmaa. Profiilien alustavassa mitoituksessa hyödynnettiin paikallisen lommahduksen huomioon ottavia standardeja ja suunnitteluohjeita. Eri poikkileikkausten ominaisuuksia verrattiin keskenään ja profiili valittiin yhdessä kohdeyrityksen kanssa. Alustavan mitoituksen yhteydessä muodostettiin apuohjelma valitulle poikkileikkaukselle, jolla voitiin tutkia profiilin eri muuttujien vaikutusta mm. paikalliseen lommahdukseen ja jäykkyyteen. Laskentapohjaan sisällytettiin myös optimointirutiini, jolla voitiin minimoida poikkileikkauksen pinta-ala ja tätä kautta profiilin massa. Lopullinen mitoitus suoritettiin elementtimenetelmällä. Mitoituksessa tutkittiin alustavasti mitoitettujen profiilien paikallista lommahdusta lineaarisen stabiilius- ja epälineaarisen analyysin pohjalta. Profiilien jännityksiä tutkittiin tarkemmin mm. varioimalla kuormituksia ja osittelemalla elementtien normaalijännityksiä. Diplomityössä kehitetyllä ja analysoidulla teleskooppipuomilla voitiin keventää jaksojen painoja 15-30 %. Sivusuuntainen ulottuma parani samalla lähes 20 % ja nimelliskuorma kasvoi 25 %.

The Plastic Capacity of Boiler Supporting Headers

The goal of this thesis was to make a dimensioning tool to determine the plastic capacity of the boiler supporting header. The capacity of the header is traditionally determined by using FE-method during the project phase. By using the dimensioning tool the goal is to ensure the capacity already in the proposal phase. The study began by analyzing the headers of the ongoing projects by using FE-method. For the analytical solution a plain header was analyzed without the effects of branches or lug. The calibration of parameters in the analytical solution was made using these results. In the analytical solution the plastic capacity of the plastic hinges in the header was defined. The stresses caused by the internal pressure as well as the normal and shear forces caused by the external loading reduced the plastic moment. The final capacity was determined by using the principle of virtual work. The weakening effect of the branches was taken into account by using pressure areas. Also the capacity of the punching shear was defined. The results from the FE-analyses and the analytical solution correlate with each other. The results from the analytical solution are conservative but give correct enough results when considering the accuracy of the used method.

Hitsatun rakenteen lujuustarkastelu kokeellisesti määritetyn kuormitushistorian perusteella

Työssä tutkittiin jätteen murskauksesta murskaimeen aiheutuvia kuormituksia vastusvenymäliuskamittauksilla. Eri jätetyyppien aiheuttamia kuormituksia tutkittiin erillisinä tapauksina ja näistä tyyppikuormituksista johdettiin rakenteen normaalia käyttöä vastaava kuormitushistoria käyttäen painokertoimia eri tyyppikuormien kesken. Murskaimen runkorakennetta tutkittiin FE-analyysillä käyttäen kuormituksena kenttämittauksilla saatua todellista kuormitusta. FE-menetelmällä tutkittiin väsymisen kannalta kriittisiä kohtia rakenteesta. Tulosten perusteella kriittisiin yksityiskohtiin laadittiin parannusehdotuksia, joiden perusteella yhteistyössä työn teettäjän kanssa laadittiin uudet rakenneratkaisut. Rakenteen kestoikä määritettiin väsymisvaurion kannalta kriittisimmän yksityiskohdan mukaan. Kestoiän määrittämiseen käytettiin Palmgren-Miner menetelmää ja Palmgren-Miner menetelmästä johdettua ekvivalentin jännitysvaihtelun menetelmää. Muutosten jälkeen rakenne täyttää sille asetetun suunnittelukestoiän käytettyjen menetelmien perusteella.

Digitaalisen valmistuksen vaikutus hitsatun rakenteen väsymiskestävyyteen

Tässä työssä tutkittiin kuinka eri tavoin rakenteen mallintaminen vaikuttaa laskettuun väsy-misikään. Työssä tutkittavana rakenteena toimi Sandvik Mining and Construction OY:n las-tauskoneen nostovarsi. Nostovarrelle väsytyskokeet suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Työn tavoitteena oli tutkia miten eri digitaalinen valmistuksen tasot vaikuttavat hitsatulle rakenteelle saatuun kestoikään. Työssä tutkittiin myös miten todellista geometriaa voidaan hyödyntää rakenteen kestoiän arvioinnissa. Väsytyskoejärjestely mallinnettiin FE-menetelmällä, ja järjestelystä tehtiin useita malleja käyttäen solidi- ja laattaelementtejä. Malleista laskettiin väsymisiät hot spot- ja tehollisen lovijännityksen menetelmällä, ja saatuja tuloksia vertailtiin toisiinsa ja väsytyskokeen tulok-siin. Väsytyskokeessa vaurioituneista kohdista tarkemman tutkimuksen kohteena oli nosto-varren palstalevyn kärki. Hot spot-menetelmällä saadut kestoiät vaihtelivat paikoin melko paljon eri mallien välillä. Tehollisen lovijännityksen menetelmällä saaduissa tuloksissa erot olivat pienempiä mallien välillä. FE-mallin ja venymäliuskojen jännitykset poikkesivat toisistaan paikoin melko pal-jon. Todellisen hitsatun rakenteen kestoikään vaikuttaa moni asia, ja täten FE-menetelmällä las-kettu kestoikä voi poiketa huomattavasti todellisesta kestoiästä. Varsinkin hot spot-menetel-mällä tulokset voivat poiketa hyvinkin paljon todellisuudesta, mikäli jännitystila tutkitta-vassa kohdassa on moniaksiaalinen. Todellisen geometrian mallintaminen vaatii tarkkuutta, ja alkuperäisdatan tulee olla mahdollisimman tarkkaa ja riittävän suurelta alueelta, jotta malli vastaa tarpeeksi todellista.

Influence of Crown Ferrule Heights and Dowel Material Selection on the Mechanical Behavior of Root-Filled Teeth: A Finite Element Analysis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Determinação de fósforo microbiano: comparação entre métodos e coberturas florestais

Muitos trabalhos mostram a importância da biomassa microbiana do solo (BMS), principalmente como fonte/dreno de C e de N em plantações florestais; contudo, são escassos os trabalhos relacionados ao fósforo microbiano (PBM), sobretudo aqueles relativos aos métodos de determinação do PBM nesses ecossistemas. O presente trabalho foi realizado com o objetivo de avaliar métodos de determinação do PBM em solo com diferentes coberturas vegetais. O trabalho consistiu da análise de amostras de Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico muito argiloso (LVAd) localizado no município de Viçosa (MG), coletadas nas profundidades de 0 a 5 e 5 a 10 cm, em áreas com as seguintes coberturas vegetais: pínus (Pinus taeda), eucalipto (Eucalyptus grandis) e floresta nativa. Para determinação do P microbiano, foram empregados os métodos fumigação-extração (FE), irradiação com micro-ondas-extração (IE) e irradiação com micro-ondas-extração com membrana de troca aniônica (EMTA). em termos gerais, menores teores de PBM foram obtidos com o método irradiação-extração. Considerando a cobertura vegetal, foi detectada diferença significativa entre os três métodos sob floresta de eucalipto e floresta nativa, principalmente na camada superficial. Sob pínus, apenas o método IE diferiu dos demais, na camada subsuperficial. Menores coeficientes de variação (CV) foram obtidos com o FE, retratando maior precisão do método. Entretanto, o método IE mostrou-se, em termos operacionais, o mais adequado à determinação do PBM quando se tem maior número de amostras. Com relação às coberturas vegetais, a grande variabilidade observada nos CVs obtidos para cada cobertura, nos três métodos testados, inviabiliza a escolha de um único método que apresente maior precisão na avaliação do PBM.