Behaviour of Bi-material interface cracks in the presence of material nonlinearity of adherends

The well known features of crack face interpenetration/contact at the tip of an interface crack is re-examined using finite element analysis and assuming material nonlinear properties for the adherends. It was assumed in literature that the crack tips are fully open at all load levels in the presence of material nonlinearity of the adherends. Analysis for the case of remote tension shows that even in the presence of material nonlinearity, crack tip closes at small load levels and opens above a certain load level. Mixed-mode fracture parameters are evaluated for the situation when the crack tips are fully open. Due to the presence of nonlinearity, the mixed-mode fracture parameters are measured with the symmetric and anti-symmetric components of J-integral. The present analysis explains the sequence of events at the interface crack tip with progressively increasing remote tension load for the case of adherends with material nonlinear behaviour.

Effective shear modulus approach for two dimensional solids and plate bending problems by meshless point collocation method

For the analysis of material nonlinearity, an effective shear modulus approach based on the strain control method is proposed in this paper by using point collocation method. Hencky’s total deformation theory is used to evaluate the effective shear modulus, Young’s modulus and Poisson’s ratio, which are treated as spatial field variables. These effective properties are obtained by the strain controlled projection method in an iterative manner. To evaluate the second order derivatives of shape function at the field point, the radial basis function (RBF) in the local support domain is used. Several numerical examples are presented to demonstrate the efficiency and accuracy of the proposed method and comparisons have been made with analytical solutions and the finite element method (ABAQUS).

Second-order inelastic analysis of composite framed structures based on the refined plastic hinge method

Composite steel-concrete structures experience non-linear effects which arise from both instability-related geometric non-linearity and from material non-linearity in all of their component members. Because of this, conventional design procedures cannot capture the true behaviour of a composite frame throughout its full loading range, and so a procedure to account for those non-linearities is much needed. This paper therefore presents a numerical procedure capable of addressing geometric and material non-linearities at the strength limit state based on the refined plastic hinge method. Different material non-linearity for different composite structural components such as T-beams, concrete-filled tubular (CFT) and steel-encased reinforced concrete (SRC) sections can be treated using a routine numerical procedure for their section properties in this plastic hinge approach. Simple and conservative initial and full yield surfaces for general composite sections are proposed in this paper. The refined plastic hinge approach models springs at the ends of the element which are activated when the surface defining the interaction of bending and axial force at first yield is reached; a transition from the first yield interaction surface to the fully plastic interaction surface is postulated based on a proposed refined spring stiffness, which formulates the load-displacement relation for material non-linearity under the interaction of bending and axial actions. This produces a benign method for a beam-column composite element under general loading cases. Another main feature of this paper is that, for members containing a point of contraflexure, its location is determined with a simple application of the method herein and a node is then located at this position to reproduce the real flexural behaviour and associated material non-linearity of the member. Recourse is made to an updated Lagrangian formulation to consider geometric non-linear behaviour and to develop a non-linear solution strategy. The formulation with the refined plastic hinge approach is efficacious and robust, and so a full frame analysis incorporating geometric and material non-linearity is tractable. By way of contrast, the plastic zone approach possesses the drawback of strain-based procedures which rely on determining plastic zones within a cross-section and which require lengthwise integration. Following development of the theory, its application is illustrated with a number of varied examples.

Higher-order non-linear analysis of steel structures. Part I : elastic second-order formulation

This paper presents a higher-order beam-column formulation that can capture the geometrically non-linear behaviour of steel framed structures which contain a multiplicity of slender members. Despite advances in computational frame software, analyses of large frames can still be problematic from a numerical standpoint and so the intent of the paper is to fulfil a need for versatile, reliable and efficient non-linear analysis of general steel framed structures with very many members. Following a comprehensive review of numerical frame analysis techniques, a fourth-order element is derived and implemented in an updated Lagrangian formulation, and it is able to predict flexural buckling, snap-through buckling and large displacement post-buckling behaviour of typical structures whose responses have been reported by independent researchers. The solutions are shown to be efficacious in terms of a balance of accuracy and computational expediency. The higher-order element forms a basis for augmenting the geometrically non-linear approach with material non-linearity through the refined plastic hinge methodology described in the companion paper.

Higher-order non-linear analysis of steel structures. Part II : refined plastic hinge formulation

In the companion paper, a fourth-order element formulation in an updated Lagrangian formulation was presented to handle geometric non-linearities. The formulation of the present paper extends this to include material non-linearity by proposing a refined plastic hinge approach to analyse large steel framed structures with many members, for which contemporary algorithms based on the plastic zone approach can be problematic computationally. This concept is an advancement of conventional plastic hinge approaches, as the refined plastic hinge technique allows for gradual yielding, being recognized as distributed plasticity across the element section, a condition of full plasticity, as well as including strain hardening. It is founded on interaction yield surfaces specified analytically in terms of force resultants, and achieves accurate and rapid convergence for large frames for which geometric and material non-linearity are significant. The solutions are shown to be efficacious in terms of a balance of accuracy and computational expediency. In addition to the numerical efficiency, the present versatile approach is able to capture different kinds of material and geometric non-linearities on general applications of steel structures, and thereby it offers an efficacious and accurate means of assessing non-linear behaviour of the structures for engineering practice.

Explicit finite element modelling of bridge girder bearing pedestals

Bridge girder bearings rest on pedestals to transfer the loading safely to the pier headstock. In spite of the existence of industry guidelines, due to construction complexities, such guidelines are often overlooked. Further, there is paucity of research on the performance of pedestals, although their failure could cause exorbitant maintenance costs. Although reinforced concrete pedestals are recommended in the industry design guidelines, unreinforced concrete and/ or epoxy glue pedestals are provided due to construction issues; such pedestals fail within a very short period of service. With a view to understanding the response of pedestals subject to monotonic loading, a three-dimensional nonlinear explicit finite element micro-model of unreinforced and reinforced concrete pedestals has been developed. Contact and material nonlinearity have been accounted for in the model. It is shown that the unreinforced concrete pedestals suffer from localised edge stress singularities, the failure of which was comparable to those in the field. The reinforced concrete pedestals, on the other hand, distribute the loading without edge stress singularity, again conforming to the field experience.

Automatic energy-momentum conserving time integrators for hyperelastic waves

An energy-momentum conserving time integrator coupled with an automatic finite element algorithm is developed to study longitudinal wave propagation in hyperelastic layers. The Murnaghan strain energy function is used to model material nonlinearity and full geometric nonlinearity is considered. An automatic assembly algorithm using algorithmic differentiation is developed within a discrete Hamiltonian framework to directly formulate the finite element matrices without recourse to an explicit derivation of their algebraic form or the governing equations. The algorithm is illustrated with applications to longitudinal wave propagation in a thin hyperelastic layer modeled with a two-mode kinematic model. Solution obtained using a standard nonlinear finite element model with Newmark time stepping is provided for comparison. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Comparative study of different nonconserving time integrators for wave propagation in hyperelastic waveguides

This paper addresses the formulation and numerical efficiency of various numerical models of different nonconserving time integrators for studying wave propagation in nonlinear hyperelastic waveguides. The study includes different nonlinear finite element formulations based on standard Galerkin finite element model, time domain spectral finite element model, Taylor-Galerkin finite element model, generalized Galerkin finite element model and frequency domain spectral finite element model. A comparative study on the computational efficiency of these different models is made using a hyperelastic rod model, and the optimal computational scheme is identified. The identified scheme is then used to study the propagation of transverse and longitudinal waves in a Timoshenko beam with Murnaghan material nonlinearity.

Dielectric elastomers: Asymptotically-correct three-dimensional displacement field

Asymptotically-accurate dimensional reduction from three to two dimensions and recovery of 3-D displacement field of non-prestretched dielectric hyperelastic membranes are carried out using the Variational Asymptotic Method (VAM) with moderate strains and very small ratio of the membrane thickness to its shortest wavelength of the deformation along the plate reference surface chosen as the small parameters for asymptotic expansion. Present work incorporates large deformations (displacements and rotations), material nonlinearity (hyperelasticity), and electrical effects. It begins with 3-D nonlinear electroelastic energy and mathematically splits the analysis into a one-dimensional (1-D) through-the-thickness analysis and a 2-D nonlinear plate analysis. Major contribution of this paper is a comprehensive nonlinear through-the-thickness analysis which provides a 2-D energy asymptotically equivalent of the 3-D energy, a 2-D constitutive relation between the 2-D generalized strain and stress tensors for the plate analysis and a set of recovery relations to express the 3-D displacement field. Analytical expressions are derived for warping functions and stiffness coefficients. This is the first attempt to integrate an analytical work on asymptotically-accurate nonlinear electro-elastic constitutive relation for compressible dielectric hyperelastic model with a generalized finite element analysis of plates to provide 3-D displacement fields using VAM. A unified software package `VAMNLM' (Variational Asymptotic Method applied to Non-Linear Material models) was developed to carry out 1-D non-linear analysis (analytical), 2-D non-linear finite element analysis and 3-D recovery analysis. The applicability of the current theory is demonstrated through an actuation test case, for which distribution of 3-D displacements are provided. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Avaliação de ligações K e T entre perfis estruturais tubulares circulares.

O difundido uso de perfis estruturais tubulares, principalmente devido às vantagens associadas ao comportamento estrutural e estético, levou a uma intensa utilização nos países da Europa, Sudeste Asiático, América do Norte e na Austrália. Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivo dessas estruturas e contam com uma produção corrente, industrializada e contínua com alto grau de desenvolvimento tecnológico. O aumento da oferta deste tipo de perfis, aliado a recentes pesquisas nesta área, leva o Brasil a se inserir neste cenário mundial. Entretanto, as normas brasileiras que regem o dimensionamento destes perfis ainda não se encontram atualizadas, principalmente no que tange ao dimensionamento de ligações de perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo K e T com perfis tubulares circulares (CHS). Propõe-se estabelecer um quadro comparativo entre as formulações analíticas de dimensionamento proposta pelo Eurocode 3 Parte 1.8, 2 edição do guia de projeto de ligações tubulares do CIDECT, projeto de norma brasileira PN 02.125.03-004 e critérios de deformação limite. Para cada um dos tipos de ligações analisadas, desenvolveu-se um modelo em elementos finitos no programa Ansys, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. As não-linearidades física e geométrica foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bilinear. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado considerando-se a previsão de grandes deformações de forma a permitir a redistribuição de carregamento na ligação após o escoamento inicial. Esta dissertação propõe ainda, a modelagem de uma treliça planar constituída de perfis tubulares, objetivando estabelecer uma comparação entre um nó isolado e um nó da treliça planar.

Avaliação de ligações KK entre perfis tubulares em aço.

Em virtude do elevado grau de desenvolvimento da tecnologia em sua produção, a utilização de perfis tubulares é grandemente difundida em países como, por exemplo, Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda. A utilização de tais perfis no Brasil era bastante restrita, limitando-se a coberturas espaciais. Atualmente, a situação do mercado brasileiro começa a se alterar em decorrência do significativo aumento da oferta de perfis tubulares estruturais. Este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo KK com perfis tubulares circulares (CHS), com o intuito de estabelecer um quadro comparativo entre as formulações analíticas de dimensionamento proposta pelo Eurocode 3 Parte 1.8, 2 edição do guia de projeto de ligações tubulares do CIDECT, ABNT NBR 16239:2013, pelas equações propostas por Paul e Kurobane e critérios de deformação limite. A calibração de um modelo foi feita com dados numéricos e experimentais. Para cada um dos tipos de ligações analisadas, desenvolveu-se um modelo em elementos finitos no programa Ansys. As não-linearidades física e geométrica foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. A não-linearidade do material foi considerada com o uso do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bilinear. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado considerando-se a previsão de grandes deformações de forma a permitir a redistribuição de carregamento na ligação após o escoamento inicial. Foi proposto um modelo de uma treliça espacial composta por perfis tubulares de seção circular para comparar os resultados de análises de uma ligação isolada e a resposta desta mesma ligação como parte de uma treliça em escala real.

Comportamento estrutural de vigas casteladas em aço inoxidável.

As vigas casteladas já são utilizadas em diversos tipos de estruturas para se vencer grandes vãos. Há uma nova realidade para o uso de perfis castelados, agora em aço inoxidável. Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre vigas casteladas e vigas de alma cheia em perfis IPE, baseadas na norma europeia, no método da resistência contínua; e, também, através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento e a resistência à flexão das vigas casteladas em aço inoxidável. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta estrutura. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises e da lei constitutiva tensão versus deformação multi-linear, de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi considerada a partir de uma formulação de Lagrange atualizado. Os resultados numéricos das vigas em estudo foram avaliados quanto aos modos de falha e da distribuição de tensões. Os momentos resistentes analíticos foram comparados com os resultados do modelo numérico apresentando valores satisfatórios e a favor da segurança.

Avaliação de ligações tubulares tipo T entre CHS com reforço tipo chapa.

Os perfis tubulares sem costura são utilizados em diversos países, principalmente devido às vantagens associadas à estética a sua elevada resistência à torção, cargas axiais e efeitos combinados. Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda utilizam de forma veemente estas estruturas e possuem produção contínua e industrializada com alto nível de desenvolvimento tecnológico. O Brasil, porém, se limitava praticamente ao uso destes perfis nas coberturas espaciais. Devido ao aumento da utilização desses tipos de estruturas, fez-se necessário o aprofundamento dos estudos com métodos de análise coerentes para utilização de perfis tubulares, principalmente em relação às ligações, pois são consideradas regiões vulneráveis neste tipo de estrutura. Para atender a necessidade de normatização deste procedimento desenvolveu-se uma norma brasileira específica para o dimensionamento de estruturas em perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com reforço tipo chapa com perfis tubulares circulares (CHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346. Desenvolveu-se no programa Ansys um modelo de elementos finitos para cada tipo de ligação analisada, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. Verificou-se a influência da compressão atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A nãolinearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação bilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizada. A análise dos esforços resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentaram valores a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Por fim um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento foi também proposto.

Validation of a 3D damage model for predicting the response of composite structures under crushing loads

A 3D intralaminar continuum damage mechanics based material model, combining damage mode interaction and material nonlinearity, was developed to predict the damage response of composite structures undergoing crush loading. This model captures the structural response without the need for calibration of experimentally determined material parameters. When used in the design of energy absorbing composite structures, it can reduce the dependence on physical testing. This paper validates this model against experimental data obtained from the literature and in-house testing. Results show that the model can predict the force response of the crushed composite structures with good accuracy. The simulated energy absorption in each test case was within 12% of the experimental value. Post-crush deformation and the damage morphologies, such as ply splitting, splaying and breakage, were also accurately reproduced. This study establishes the capability of this damage model for predicting the responses of composite structures under crushing loads.