بررسی عملکرد ستون های بتن مسلح روکش شده با بتن معمولی و بتن ژئوپلیمری

Investigation on the performance of reinforced concrete columns jacketed by conventional concrete and geopolymer concrete

چکیده
1. مقدمه
2. تحقیقات تجربی
3. بررسی تحلیلی
4. نتایج و بحث
5. نتیجه گیری
منابع

چکیده

هدف این تحقیق این است که مطالعه ای تجربی از رفتار ستون های بتن مسلح (RC) تقویت شده با استفاده از RC و پوشش بتن ژئوپلمیری (GPC) از طریق قرار دادن آنها در معرض بارگذاری محوری انجام دهد. نتایج تجربی با استفاده از مدل اجزای محدود (FEM) اعتبارسنجی تحلیلی می شوند. برای این بررسی، شش ستون بتن معمولی درجه M25 در معرض بیش از 75% بار نهایی قرار می گیرند. سپس سه ستون با استفاده از RC درجه M40 پوشش داده می شوند و سه ستون دیگر با استفاده از GPC درجه M40 پوشش داده می شوند. رفتار سطحی ستون RC معمولی و ستون های GPC پوشانده شده بررسی و مقایسه می شوند. از خطی سه بعدی و FEM برای اندازه گیری اثر ستون های RC معمولی و ستون های ژاکت GPC با در نظر گرفتن پلاستیسیته آسیب بتن (CDP) و مدلهای کشسانی-خمیری با سخت شوندگی ایزوتروپیک تحت افزایش بار استفاده می شود. نتایج معتبر در مقابل نتایج آزمایشی دقت 90% مدل تحلیلی را تایید کردند. 

2. تحقیقات تجربی
2.1. مصالح
سیمان پرتلند معمولی مطابق با BIS: 8112-1989 در این تحقیق استفاده می شود [20]. ماسه تولیدی به صورت سنگدانه ریز استفاده می شود و نیاز به ناحیه درجه بندی II از BIS:383-1970 را برآورده می کند. مقادیر وزن مخصوص و مدول نرمی به ترتیب 2.64 و 2.7 بودند [21]. شن محلی موجود با اندازه کمتر از 10 میلی متر برای مخلوط M40 و اندازه 20 میلی متر برای مخلوط M25 به صورت سنگدانه درشت استفاده می شوند. وزن مخصوص 2.75 بود و مدول نرمی 6.87 بود [21]. کنپلاست SP430 یک افزودنی فوق روان کننده و بدون کلرید تهیه شده از پلیمرهای نفتالین سولفونه شده منتخب است. این محلول قهوه ای است و فورا در آب پخش می شود [22]. در حالی که از فولاد تقویت کننده با قطر 8 میلی متر بعنوان خاموت استفاده می شود، فولاد تقویت کننده با قطر 12 میلی متر بعنوان آرماتور اصلی استفاده می شود. جدول 1 ویژگی های مکانیکی فولاد مسلح را نشان می دهد. مایع مولد واکنش برای بتن ژئوپلیمری برای واکنش های اولیه مواد شیمیایی در GSM موردنیاز است و متکشل از هیدروکسید سدیم (NaOH) یا هیدورکسید پتاسیم (KOH) و محلول سیلیکات سدیم (SSS) یا محلول سیلیکات پتاسیم (PSS) است. SSS/PSS در نسبت های مولی مختلف موجود است که ماهیت های شیمیایی آن براساس ملاحظات ژئوپلیمریزاسیون به شدت متغیر است. در این تحقیق، نسبت مولی در نظر گرفته شده SSS، 2 بود.

2.2. نمونه آزمایشی و طرح ترکیبی
شش ستون کوتاه RC با مقیاس یکسان تهیه شده با استفاده از نسبت بتن M25 با سطح مقطع 180 میلی متر × 180 میلی متر و ارتفاع 1500 میلی متر برای هر BIS 456:2000 ریخته گری و طراحی می شوند. شش ستون (C1,C2,C3,C4,C5 و C6) به صورت مصنوعی و با قرار دادن آنها در معرض بیش از 75 درصد بار نهایی تضعیف می شوند. سه نمونه (C1,C2 و C3) از شش نمونه به صورت معمولی با (بتن سیمانی) پوشانده می شوند و سه نمونه دیگر (C4,C5 و C6) با GPC با استفاده از هشت عدد میلگرد با قطر 12 میلی متر که با پیوندهای میلگرد با قطر 8 میلی متری محصور شده است، پوشانده می شوند. پوشش این شش ستون با استفاده از بتن معمولی با درجه M40 برای C1,C2 و C3 و بتن ژئوپلیمری برای مخلوط های C4,C5 و C6 انجام می شود. نسبت مخلوط بتن های M25 و M40 در جدول 2، درج می شوند [23]. نسبت مخلوط برای بتن GPC درجه M40 در جدول 3 نشان داده می شود.

2.3. آزمون مقاومت فشاری
آزمون مقاومت فشاری بتن بر روی نمونه های مکعب استاندارد با ابعاد 100×100×100 میلی متر پس از عمل آوری به مدت 3، 7 و 28 روز مطابق با BIS 516:1959 انجام می شود [24]. مکعب های بتنی با استفاده از یک دستگاه آزمایش جهانی با ظرفیت 1000 Kn به صورت دقیق در مرکز بلوک فوقانی کروی سر بارگذاری قرار می گیرند و بار فشاری با نرخ کنترل شده جابجایی 0.5 میلیمتر/دقیقه اعمال می شود تا زمانی که نمونه از کار بیفتد. این مقادیر ثبت می شوند و مقادیر فشاری محاسبه می شود. این نتایج در جدول 5 نشان داده می شوند. همانطور که از داده های ارائه شده در جدول 4 می توان مشاهده کرد، مکعب های بتنی GPC M40 هنگام مقایسه مقاومت فشاری مخلوط M40 معمولی و مخلوط GPC M40 باید مقاومت بهتری داشته باشند. نمونه های سیلندر به منظور یافتن مدول الاستیسیته با استفاده از یک دستگاه آزمایشی جهانی آزمایش می شوند. ظرفیت 1000 کیلونیوتن با جابجایی سرعت 0.5 میلی متر/دقیقه همانند شکل 1 نشان داده می شود. سطح مقطع سیلندر بتنی مورد استفاده دارای قطر 100 میلی متر و ارتفاع 200 میلی متر بود. سیلندرهای بتنی به صورت دقیق در بلوک بالایی سر بارگیری قرار می گیرند و بار فشاری تا زمان شکست نمونه اعمال می شود. این مقادیر ثبت می شوند و مدول الاستیسیته محاسبه می شود. این مقادیر در جدول 5 ارائه می شوند. شکل 2 نمودار تنش-کرنش درجات مختلف بتن را نشان می دهد.

توسعه تیرهای فولاد سرد نورد شده (CFS) برای وضعیت حد خدمات و حد نهایی با استفاده از بهینه سازی Big Bang–Big Crunch

Development of optimum cold-formed steel beams for serviceability and ultimate limit states using Big Bang-Big Crunch optimisation

چکیده

1.مقدمه

2.اصول طراحی یوروکد

2.1خمیدگی منطقه ای

2.2خمیدگی نوسانی

2.3خمیدگی سراسری

3.تعریف مسئله

4.الگوریتم Big Bang-Big Crunch

5.طراحی بهینه برای تیرهای CFS

5.1 بهینه سازی وضعیت حد نهایی (ULS)

5.2 بهینه سازی برای وضعیت حد خدمات (SLS)

6. بررسی های تحلیلی

6.1 مدلهای تشریحی FE

6.2 نتایج FE برای برشهای بهینه و استاندارد

7. خلاصه و نتیجه گیری

منابع

چکیده

اجزای فولاد سرد نورد شده (CFS) به طور روز افزون به عنوان اجزای سازه ای اصلی در فعالیت های مدرن ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرند. در حالی که انعطاف پذیری در فولاد سرد نورد شده برش های مقطعی امکان دست یابی به توانایی بیشتر مقاومت در برابر بار را از طریق استفاده از شکل های موثرتر فراهم می آورد، اما دست یابی به راه حل های بهینه در طراحی می تواند بدلیل وجود محدودیت های کاربر نهایی و رفتار پیچیده اجزای CFS در حالت های منطقه ای ، سراسری و خمیدگی متغیر کنترل شود. هدف این تحقیق، توسعه روشی تجربی برای طراحی بهینه مقاطع تیرهای CFS دارای حداکثر مقاومت نوسان و حداقل جابجایی ها در شرایط وجود بار و خدمات نهایی متناسب با استاندارد یوروکد 3 می باشد که در آن محدودیت های طراح کاربر نهایی و همچنین محدودیت های ساختاری در نظر گرفته می شوند. روش بهینه سازی Big Bang–Big Crunch برای بدست آوردن جواب های طراحی بهینه برای دوازده سازه CFS دارای برش های مقطعی مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. برای تائید مقاومت نوسان و قدرت مقاطع تیرهای بهینه، مدلهای غیر خطی المان محدود (FE) با استفاده از ABAQUS و با در نظر گرفتن غیر خطی بودن مواد و تغییرات غیر خطی مواد و تغییرات هندسی اولیه ارائه شده اند. نشان داده شده است که مقاطع بهینه سازی شده بر اساس و ضعیت حد خدمات (SLS) و حد نهایی(ULS) می توانند کارایی 44% بیشتر و مقاومت خمیدگی 58 درصد بیشتر در مقایسه با تیرهای لوله ای دارای عرض و ضخامت صفحه ای یکسان داشته باشند. استفاده از برش های صفحه ای ساده و لبه دار دولا شده عموما منجر به بهترین داه حل های طراحی برای SLS و ULS می شود. در نهایت، نتایج دقیق بدست آمده از مدلهای FE برای ارزیابی دقت روشهای سه بعدی مطرح شده جهت برآورد توانایی تیرهای CFS و تغییر شکل در SLS و ULS استفاده می شوند.

7. خلاصه و نتیجه گیری

یک چارچوب جدید بهینه سازی برای توسعه تیرهای اقتصادی تر CFS دارای آتل های جانبی در وضعیت محدودیت خدمات و حد نهایی با توجه به روش عرض موثر EC3 و از طریق بهینه سازی ابعاد نسبی برش های مقطعی و امکان وجود لبه های تک لایه یا دو لایه و شبکه های واسطه مثلثی و سفت کننده های لبه دار معرفی شده است. برای داشتن جواب های بهینه، الگوریتم بهینه سازی Big Bang–Big Crunch (BB-BC) به کار گرفته شد، در حالی که متغیرهای طراحی با در نظر گرفتن محدودیت های طراحیEC3 و همچنین بازه محدودیت کاربر نهایی و ساخت تعیین شدند. چارچوب بهینه سازی معرفی شده برای 12 نمونه محتلف اعمال شد و دقت نتایج برای SLS و ULS از طریق مدلهای دقیق FE بررسی شدند. بر اساس نتایج ارائه شده در این تحقیق، نتایج زیر را می توان بیان کرد:

1- برای مواد یکسان، چارچوب بهینه سازی معرفی شده می تواند مقاومت خمیدگی و استقامت برش های محرک و استاندارد را تا 44 و 58 درصد افزایش دهد. در مجموع، برش های مقطعی بهینه سازی شده (در SLS و ULS) از شبکه های بلندتر و لبه های باریکتر استفاده می کنند. اختلافات اصلی بین شکل های بهینه سازی شده برای ULS,SLS مربوط به اندازه و زاویه سفت کننده های لبه ها و همچنین موقعیت شبکه واسطه و سفت کننده لبه ها می باشند.

Abstract

Cold-formed steel (CFS) elements are increasingly used as main structural members in modern construction practice. While flexibility of CFS cross-sectional shape allows achieving higher load carrying capacities by using more efficient shapes, obtaining optimum design solutions can be a challenging task due to end-use constraints and complex behaviour of CFS elements controlled by local, global and distortional buckling modes. This study aims to develop a practical methodology for optimum design of CFS beam sections with maximum flexural strength and minimum deflection under ultimate and serviceability load conditions, respectively, in accordance with Eurocode 3 by taking into account manufacturing and end-use design constrains. Population-based Big Bang–Big Crunch Optimisation method is employed to obtain optimum design solutions for twelve different CFS cross-sectional prototypes. To verify the flexural strength and stiffness of the optimum beam sections, detailed nonlinear finite element (FE) models are developed using ABAQUS by considering both material nonlinearity and initial geometrical imperfections. It is shown that the optimised sections based on serviceability limit state (SLS) and ultimate limit state (ULS) can provide, respectively, up to 44% higher effective stiffness and 58% higher bending moment capacity compared to a standard lipped channel beam section with the same plate width and thickness. Using plain channel and folded-flange sections generally leads to the best design solutions for SLS and ULS conditions, respectively. Finally, the results of detailed FE models are used to evaluate the adequacy of EC3 proposed procedures to estimate CFS beam capacity and deflection at ULS and SLS, respectively.

7. Summary and conclusions

A new optimisation framework was presented to develop more economical laterally braced CFS beam based on serviceability and ultimate limit states, according to EC3 effective width method, by optimising the relative dimensions of cross-sections and allowing for the inclined single or double edge lips and triangular intermediate web and flange stiffeners. To obtain optimum solutions, Big Bang–Big Crunch (BB-BC) optimisation algorithm was adopted while design variables were determined by taking into account EC3 design constraints as well as a range of manufacturing and end-use limitations. The proposed optimisation framework was applied on twelve different prototypes and the accuracy of the results at both SLS and ULS was examined through detailed FE models. Based on the results presented in this paper, the following conclusions could be drawn:

1. For the same amount of material, the proposed optimisation framework could increase the flexural capacity and stiffness of the standard benchmark section by 58% and 44%, respectively. In general, optimised cross-sections (at both SLS and ULS) tend to use taller web and narrower flanges. The main differences between optimised shapes for ULS and SLS are the size and the angle of edge stiffeners as well as the location of the intermediate web and flange stiffeners.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

توسعه تیرهای فولاد سرد نورد شده (CFS) برای وضعیت حد خدمات و حد نهایی با استفاده از بهینه سازی Big Bang–Big Crunch

Development of optimum cold-formed steel beams for serviceability and ultimate limit states using Big Bang-Big Crunch optimisation

آستانه های هشدار بر اساس قابلیت اطمینان برای سازه های آنالیز شده با روش اجزای محدود

Reliability-based alarm thresholds for structures analysed with the finite element method

چکیده
1 مقدمه
2 هشدار (آلارم) چیست؟
3 آستانه های هشدار مبتنی بر قابلیت اطمینان
3.1 ارزیابی احتمال شکست
3.2 به روزرسانیِ احتمال شکست با اطلاعات اضافی
3.3 ایجاد آستانه های هشدار مبتنی بر احتمال شکست هدف
4 الگوریتم پیشنهادی
4.1 روش المان محدود برای مکانیک جامد
4.2 شبیه سازی زیرمجموعه
4.3 الگوریتم شبیه سازی برای ایجاد آستانه های هشدار
4.4 نظراتی در مورد این الگوریتم
5 مثال نمونه
5.1 توصیف و تشریح مورد: تغییرشکل یک تیرِ به سادگی تقویت شده
5.2 مدل تحلیلی
5.3 مدل المان محدود
5.4 ثابت های شبیه سازی
5.5 نتایج محاسبات
6 بحث
6.1 کاربرد عملی برای سازه های مهندسی عمران
6.2 اطلاعات نابرابری یا برابری؟
6.3 مفهوم احتمال شکستِ قابل قبول
7 نتیجه گیری
منابع

چکیده

معمولاً سازه های مهندسی عمران نظارت می شوند تا رفتار ساختاری آنها، با استفاده از آستانه های هشدار مورد ارزیابی قرار داده شوند تا مشخص شود برای بهبود ایمنی آنها چه زمانی اقدامات احتمالی نیاز هستند. با این حال، در مورد چگونگی ایجاد آستانه هایی که ایمنی کافی را تضمین کنند دستورالعمل هایی نیاز است. بنابراین این مقاله یک الگوریتم محاسباتی کلی را برای ایجاد آستانه های هشدار مبتنی بر قابلیت اطمینان برای سازه های مهندسی عمران پیشنهاد می دهد. این الگوریتمبر اساس شبیه سازی زیرمجموعه با شبیه سازی زنجیره ی مارکوف مونت کارلوِجزء مستقل و قابل اجرا با هر دو مدل های ساختاریِ تحلیلی و مدل های المان محدود می باشد. آستانه های هشدارِ مبتنی بر قابلیت اطمینان می توانند مستقیماً در طرح های نظارتی که در مرحله ی طراحیِ یک پروژه ی ساخت توسعه یافته اند، به خصوص برای سازه هایی با بارگذاری متوالی مثل ساخت و سازهای مرحله ای خاکریزها، مورد استفاده قرار گیرند. با آستانه های هشدار مبتنی بر قابلیت اطمینان، اقدامات احتمالی تنها زمانی اجرا خواهند شد که رفع احتمالِ شکستِ هدف مدنظر باشد.

1 مقدمه

مشاهده ی رفتار سازه ای یک اقدام استاندارد در مهندسی عمران، به خصوص برای سازه هایی با اهمیت بالا یا ریسک بالا می باشد. از آنجایی که هزینه ی سنسورها و سایر تجهیزات کاهش می یابد، سازه های بیشتر و بیشتری تحت نظارت قرار می گیرند. نمونه هایی از این موارد عبارتند از سدهای بزرگ، پل ها، تاسیسات انرژی هسته ای، و سازه های ژئوتکنیک از جمله تونل ها و گودبرداری ها [1-7]. هدف می تواند شاملِ اعتبارسنجی فرضیات طراحی و ارزیابیِ نیاز به تغییرات طراحی یا اقدامات اصلاحی برای تضمین ایمنی ساختاری یا قابلیتِ استفاده ی رضایتبخش باشد. مشاهدات رفتار سازه ای همچنین می تواند برای کسب اطلاعات در مورد ویژگی های مهندسیِ سازه های موجود در ارزیابی های ایمنی ساختاری آنها مورد استفاده قرار گیرد. به طور کلی اطلاعات بیشترنشان می دهند که عدم قطعیت و ابهامات کاهش یافته و قابلیت اطمینان سازه ای محاسبه شده بهبود یافته است؛ به موجب آن، از اقدامات تقویتی یا جایگزین های پرهزینه نیز می تواند اجتناب شود. این اصل به طور گسترده در طراحی مبتنی بر قابلیت اطمینان و ارزیابی های ایمنی مبتنی بر قابلیت اطمینانِ زیرساخت های شهری بکار گرفته می شود، برای مثال به مراجع [8-17] مراجعه شود.

Abstract

Civil engineering structures are commonly monitored to assess their structural behaviour, using alarm thresholds to indicate when contingency actions are needed to improve safety. However, there is a need for guidelines on how to establish thresholds that ensure sufficient safety. This paper therefore proposes a general computational algorithm for establishment of reliability-based alarm thresholds for civil engineering structures. The algorithm is based on Subset simulation with independent-component Markov chain Monte Carlo simulation and applicable with both analytical structural models and finite element models. The reliability-based alarm thresholds can straightforwardly be used in the monitoring plans that are developed in the design phase of a construction project, in particular for sequentially loaded structures such as staged construction of embankments. With the reliability-based alarm thresholds, contingency actions will only be implemented when they are needed to satisfy the target probability of failure.

1 Introduction

Observation of structural behaviour is standard practice in civil engineering, in particular for structures of high importance or high risk. As the cost for sensors and other equipment reduces, more and more structures are being monitored. Examples include large dams, bridges, nuclear power facilities, and geotechnical structures such as tunnels and excavations [1–7]. The purpose can be, for example, validation of design assumptions and evaluation of need for design alterations or remedial measures to ensure structural safety or satisfactory serviceability. Observations of structural behaviour can also be used to gain information about engineering properties of existing structures in assessments of their structural safety. Additional information generally implies that uncertainties are reduced and that the calculated structural reliability is improved; thereby, costly replacement or strengthening interventions may be avoided. This principle is widely applied in reliability-based design and reliability-based safety assessments of civil infrastructure; see e.g. [8–17].

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

آستانه های هشدار بر اساس قابلیت اطمینان برای سازه های آنالیز شده با روش اجزای محدود

Reliability-based alarm thresholds for structures analysed with the finite element method

روشی جدید برای آنالیز خرابی پیشرونده قاب های فولادی

A new method for progressive collapse analysis of steel frames

چکیده

1.مقدمه

2.مدل المان محدود برای قاب فولادی

3. ارزیابی مدل المان محدود

4. انفجار حجیم در داخل ساختمان

5. مقایسه روشهای آنالیز خرابی پیش رونده موجود

6. روش زیر ساختاری

7. نتیجه گیری

منابع

چکیده

زمانی که یک انفجار بزرگ در داخل ساختمان اتفاق می‌افتد، تعدادی از اعضای سازه‌ای (ستونها، تیرها، دال ها و غیره) آسیب می‌بینند یا کلا تخریب می‌شوند که در کنار شرایط اولیه غیر صفر (جابجایی، سرعت، شتاب و غیره)، خرابی پیش رونده سازه های ساختمانی بسیار محتمل است. با این حال تحقیقات محدودی در مورد تاثیر بار انفجار بر اعضای سازه ای در ساختمان، وجود دارد و با توجه به این مساله، بر اساس یک مدل زیرساختاری، روشی جدید برای بررسی خرابی پیش رونده در قابهای فولادی تحت اثر بار انفجار ارائه شد. در ابتدا سناریوی انفجار گسترده در داخل ساختمان معرفی سپس مدل زیرساختاری در نواحی تاثیر پذیر از اثرات انفجار ایجاد میگردد، بعد از آن روش محاسبه ای برای شرایط غیر صفر و آسیب اولیه در اعضای سازه ای ارائه و در آخر مراحل خاص این روش پیشنهادی تشریح می‌شود. به عنوان مثال یک قاب فولادی دارای 5 طبقه در ارتفاع، 4 دهانه در طول محور طولی و 3 دهانه در طول محور عرضی، به ترتیب، با استفاده از روش شبیه سازی مستقیم، روش بار متناوب و روش ارائه شده جهت بررسی خرابی پیش رونده شبیه سازی شد. بواسطه تجزیه و تحلیل نمونه، مشخص شد که نمی‌توان تاثیر بار انفجار در طبقه همکف را نادیده گرفت اما در طبقات دیگر بواسطه دالهای بتن آرمه این امر ممکن است. شرایط اولیه غیر صفر و آسیب اولیه اعضای سازه ای بخوبی با استفاده از مدل زیر ساختاری قابل پیش بینی است و مدل پیشنهاد شده دقیق و قابل اعتماد است.

مدل المان محدود برای قاب فولادی

نمونه اولیه ساختمان

ساختمانی که در این مطالعه انتخاب شده است، یک قاب فولادی طراحی شده لرزه ای [14]، که دارای 5 طبقه در ارتفاع،4 دهانه در طول محور طولی با طول دهانه 5 متر، 3 دهانه در طول محور عرضی، با طول دهانه 5 متر. شکل 1، یک تصویر هوایی از قاب فولادی را نشان میدهد. شکل2، نشان دهنده پلان عمومی طبقه در قاب فولادی است. که ارتفاع طبقه اول 6 متر و در باقی طبقات 4 متر است.ستون و تیر قاب فولادی از مقاطع H شکل که از جوش 3 ورق فولادی ساخته شده اند اتخاذ شده‌اند، مقطع ستون H400*300*12*14 (عمق مقطع H* عرض بال * ضخامت جان * ضخامت بال) است که در شکل3a نشان داده شده است. و مقطع تیر H300*250*10*12 مانند شکل3b میباشد.

ساختمانی که در این مدل سازی عددی استفاده شده است 20 ستون دارد که 14 عدد از آنها ستون خارجی و بقیه ستون داخلی هستند. اتصالات خارجی تیر به ستون در شکل4a ، استفاده از اتصالات مقاوم در برابر خمش و اتصالات خارجی تیر به ستون در شکل4b ،نشان داده شده است و از اتصالات ورق نازک (برش ساده) در قابهای سنگین استفاده شده است. ضخامت دال بتن آمه 140 میلیمتر و ضخامت بتن پوششی (کاور) 30 میلیمتر است. آرماتورهای موجود در این دال بصورت دو طرفه و دوشبکه هستند که قطر آنها 8 میلیمتر و فاصله آنها از هم 0.15 متر است و در بالا و پایین دال بتنی قرار گرفته اند. به دیوار پر کننده، که به عنوان حصار و جداکننده عمل می کند، هیچ گونه نیروی عمودی وارد نمیشود و وزن آن را نیز ستون ها و تیر ها تحمل میکنند. و فرض بر این است که کف ستون در طبقه زیرین ثابت است.

قاب فولادی و دال بتن آرمه عمدتا از بتن و فولاد تشکیل شده است. خصوصیات اساسی مصالح بتن در جدول 1 نشان داده شده است. فولاد سازه ای Q345 برای تیر ها و ستونها انتخاب گردید که خصوصیات اساسی آن نیز در جدول 2 نشان داده شده است. فولاد HRB335، نیز برای آرماتورهای بتن آرمه انتخاب شده که ویژگی های اساسی آن در جدول 3 آمده است.

تجزیه و تحلیل ایزوژومتری و اتصال هارمونیک استاتور-روتور برای شبیه سازی ماشین های الکتریکی

Isogeometric analysis and harmonic stator–rotor coupling for simulating electric machines

چکیده

1. مقدمه

2. مدل تجزیه و تحلیل ایزوگومتریک  ماشین الکتریکی

2. 1. تحلیل و بررسی ایزوگومتریک

3. اتصال  استاتور روتور

3. 1.  تجزیه دامنه

3. 2. زیر ساخت تكراري

3. 3. اتصال هارمونیک  استاتور- روتور

3.4   شرايط بزرگ‌ترین کران پایین و کوچک‌ترین کران بالا

3. 5. اثبات

4. کاربرد: ماشین همگام آهنربای دائمی

4. 1. مقایسه بین تجزیه و تحلیل ایزوگومتریک  و روش اجزاي محدود FEM

5.  نتیجه گیری

چکیده

پژوهش حاضر آنالیز ایزوگومتریک  را به عنوان جایگزینی برای اجزای محدود  کلاسیک به منظور شبیه سازی ماشین های الکتریکی ارائه می دهد. از طریق گسسته سازی ایزوگومتریک مبتنی بر اسپلاین، می توان به دقت قوس‌هاي دایره اي را پارامتری نمود، و به موجب آن از هر نوع خطای هندسی  در نمایش شکاف هوا   که در آن  دقت بالا  الزامی  است، جلوگیری نمود.  به منظور افزایش عمومیت این روش، و فراهم آوردن امکان چرخش، دامنه محاسبات روتور و استاتور به صورت مستقل به عنوان نهادهای چندگانه ایجاد شده اند. سپس اين دو دامنه فرعي با استفاده از توابع پایه هارمونیک در رابط به هم متصل شده اند که اين امر موجب مشکل نقطه ی حائل می شود. ويژگي‌هاي آنالیز ایزوگومتریک در تركيب با اتصال دهنده هارمونیک استاتور-روتور  ارائه شده است. نتایج و عملکرد اين رویکرد جدید با نتايج و عملكرد روش اجزاي محدود کلاسیک با استفاده از یک ماشین همزمان مغناطیسی دائمی به عنوان یک نمونه مقايسه شده است.

1. مقدمه

تجزیه و تحلیل ایزوگومتریک (IGA)  برای اولین بار درپژوهش [1،2] مطرح شد و به عنوان یک روش اجزاي محدود (FEM)  با استفاده از یک فضای تابع گسسته قابل درك است  که کلیت چندجمله ای کلاسیک را به اثبات می رساند. تجزیه و تحلیل ایزوگومتریک قبلاً در زمینه های مختلف مانند مهندسی مکانیک [ 3 ] و دینامیک سیالات [ 4 ] مورد استفاده قرار گرفته است. یک مرور دقيق تر از زمینه های کاربردی مربوطه را می توان در پژوهش [ 5 ] یافت. 

5.  نتیجه گیری

در این مقاله، تجزیه و تحلیل ایزوگومتریک برای مدل سازی PMSM مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجایی که امکان پارامتری کردن دقیق قوس دایره ای وجود دارد،  ازتقریب های شکل هندسی که تحت روش اجزاي محدود کلاسیک  است، اجتناب می شود. یک رویکرد چندگانه  برای مدلسازی روتور و  استاتور بصورت جداگانه استفاده شده است.  اتصال بین این دو قطعه  توسط زیر ساخت تکراری  و یا با استفاده از توابع پایه هارمونیک انجام شده است. برای تست دومین اتصال به اصطلاح هارمونیک استاتور-روتور، یک مورد آزمون ساخته شده است که برای گسسته سازی فضایی نشان داده شده است. اتصال هارمونیک استاتور و روتور منجر به مسئله  نقطه زینی شکل  می شود که ثبات تنظیمات ما  را تضمین می نماید. همانگونه که توسط این مثال نشان داده شده، تجزیه و تحلیل ایزوگومتریک با اتصال هارمونیک استاتور-روتور یک جایگزین جدید و محتمل برای روش های استاندارد عناصر محدود برای شبیه سازی ماشین الکتریکی است .

Abstract

This work proposes Isogeometric Analysis as an alternative to classical finite elements for simulating electric machines. Through the spline-based Isogeometric discretization it is possible to parametrize the circular arcs exactly, thereby avoiding any geometrical error in the representation of the air gap where a high accuracy is mandatory. To increase the generality of the method, and to allow rotation, the rotor and the stator computational domains are constructed independently as multipatch entities. The two subdomains are then coupled using harmonic basis functions at the interface which gives rise to a saddle-point problem. The properties of Isogeometric Analysis combined with harmonic stator–rotor coupling are presented. The results and performance of the new approach are compared to the ones for a classical finite element method using a permanent magnet synchronous machine as an example.

1. Introduction

Isogeometric Analysis (IGA) was first introduced in [1,2] and can be understood as a Finite Element Method (FEM) using a discrete function space that generalizes the classical polynomial one. IGA has already been applied in different fields such as, e.g., mechanical engineering [3] and fluid dynamics [4]. A more elaborated overview of relevant application fields can be found in [5].

5. Conclusion

In this work IGA has been applied to model a PMSM. Since it is possible to parametrize circular arcs exactly, geometric approximations, from which the classical FEMs suffer, are avoided. A multipatch approach is used to model the rotor and the stator separately. The coupling between the two parts has been carried out by iterative substructuring or by using harmonic basis functions. To test the latter so-called harmonic stator–rotor coupling, a test case has been constructed for which the convergence of the spatial discretization has been shown. The harmonic stator–rotor coupling leads to a saddle-point problem for which our setting attains stability. As illustrated by the example, IGA with harmonic stator–rotor coupling is a new and promising alternative to standard finite element procedures for electric machine simulation.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تجزیه و تحلیل ایزوژومتری و اتصال هارمونیک استاتور-روتور برای شبیه سازی ماشین های الکتریکی

Isogeometric analysis and harmonic stator–rotor coupling for simulating electric machines

تجزیه دمای بافت سرطانی در سینه در هنگام درمان با افزایش دما

Analysis of Cancerous Tissue Temperature in the Breast During Hyperthermia

چکیده

1- مقدمه

2- پیش زمینه های نظری

3- نتایج شبیه سازی

4- جمع بندی

چکیده

در این مقاله، تشخیص کیست سینه بر اساس مشخصه دمایی سطحی پیشنهاد شده است. مشخصه دمایی یک سینه ی نرمال و سینه همراه با کیست در این مطالعه، ارزیابی شده است. انتقال گرما داخل سینه با استفاده از معادله ی گرمای زیستی پنس با استفاده از روش المان محدود در نرم افزار COMSOL Multiphysics ، حل شده است. یک سطح مقطع دو بعدی از سرطان سینه با استفاده از نیم دایره مدل سایز شده است در حالی که کیست به صورت یک دایره ی کوچک در نظر گرفته شده است . توزیع دمایی بر روی سطح سینه برای سینه ی نرمال و سینه همراه با کیست با سایز های مختلف در این مطالعه مشخص شده است. نتایج نشان دهنده ی تفاوت در مشخصه دمای سطحی سینه ی نرمال و سینه همراه با کیست با سایز های مختلف می باشد.

4- جمع بندی

این مقاله یک مدل 2 بعدی از سینه ی انسان را نشان می دهد تا بتوان دمای بافت در اثر تشعشع یک منبع میدان الکترومغناطیسی با فرکانس 2.45GHz در زمان درمان با افزایش دما را بررسی کرد. معادله ی مکسول برای یک مدل از سلول های انسانی در سرطان سینه و معادله ی گرمای زیستی پنس برای مشخص کردن دمای بافت ها در این مطالعه با استفاده از روش تحلیل المان محدود در نرم افزار COMSOL ، مورد استفاده قرار گرفته است. از شبیه سازی ها کاملا مشخص است که منطقه ی تومور به مقدار 43-42 درجه ی سانتی گراد تا مقدار بهینه بعد از مدت 75 ثانیه ،گرم می شوند. زمانی که انرژی بر روی 3000W.s ثابت می شود، مشاهده می شود که توزیع دمایی بر روی سلول های سرطانی سینه ، مشابه می باشد.

Abstract

In this paper, the breast cyst diagnosis based on the surface temperature profile is proposed. The temperature profiles of normal breasts and breasts with cyst have been investigated. Heat transfer inside the breast is modeled by the Penne’s bio-heat equationand solved by the finite element method using COMSOL Multiphysics software. A two dimensional (2-D) cross-section of the breast is modeled by a semicircle, whereas the cyst is modeled by a small circle. The temperature distribution on the breast surface for the normal breast and the breast with a cyst of various sizes were determined. The results show the difference in the surface temperature profiles of the normal breast and of the breast with a cyst of different sizes.

IV- CONCLUSION

This paper presents the 2D model of the human breast to determine the tissue temperature where it is irradiated by a source of electromagnetic field at 2.45 GHz in hyperthermia. Maxwell’s equation for a model of tumor cells in breast and Pennes’ bioheat equation used for coupling tissues are solved using the finite element analysis method in COMSOL software programme. It is obviously seen from the simulations that tumor regions are heated to 42-43 0C to their optimum degrees after 75 s of exposure duration. When the energy is fixed to 30000 W.s, it is observed that the distribution of the temperature remain the same on the tumor cell of the breast.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تجزیه دمای بافت سرطانی در سینه در هنگام درمان با افزایش دما

Analysis of Cancerous Tissue Temperature in the Breast During Hyperthermia

تست های آتش سوزی در تیرهای کامپوزیتی فولادی مرکب پیش تنیده با میله های کششی خارجی

Fire tests on composite steel-concrete beams prestressed with external tendons

چکیده

1-مقدمه

2. توصیف آزمایشی

2.1 نمونه های تست

2.2 تجهیزات تست

2.3 ابزار دقیق مورد استفاده

2.4 روند ها و شرایط تست

2.5 ویژگی های مکانیکی

3. نتایج آزمایشی

3.1 پاسخ گرمایی

3.2 پاسخ ساختاری

3.2.1 انحراف قسمت میانی

3.2.2 لغزش محوری

3.2.3 حالت های شکست

4. مطالعات عددی

5. جمع بندی

چکیده

این مقاله، یک مطالعه ی آزمایشی بر روی مقاومت تیر های مرکب فولادی – بتنی پیش تنیده با تاندون های خارجی را نسبت به آتش سوزی، ارائه می کند. تعداد کلی چهار تیر در این مطالعه تحت بار های ترکیبی آتش سوزی و گشتاور مثبت، تحت ارزیابی قرار گرفته اند. پارامتر های ارزیابی شده در این مطالعه شامل سطح بار، سطح پیش تنش و نوع پیکر بندی رشته های کابل می باشد. نتایج نشان می دهد که تیر های آزمایش شده بودن محافظت نسبت به آتش سوزی، دارای مقاومت 20 تا 30 دقیقه ای نسبت به آتش سوزی بودند. مقاومت تیر های مرکب فولاد – بتن مرکب پیش تنیده با تاندون های خارجی نسبت به آتش سوزی، تا حد زیادی تحت تاثیر تنش در رشته های کابل ها بود. تیر های آزمایش شده با رشته های کابل با خم رو به بالا مقاومت بیشتری نسبت به آتش سوزی در مقایسه با تیر های همراه با رشته های کابل صاف، داشتند. سطح پیش تنش تاثیر کمی بر روی دمای شکست تیر های آزمایش شده داشت، اما سستی در رشته های کابل ها منجر به شکست تیر های آزمایش در دمای بالا شد. علاوه بر این، یک مدل المان محدود (FE) نیز در این مطالعه ایجاد شد و به صورت موفق برای پیش بینی رفتار تیر های مرکب فولاد – بتن پیش تنیده تحت آتش سوزی، مورد استفاده قرار گرفت.

5. جمع بندی

این مقاله، یک مطالعه ی آزمایشی از تیر های مرکب پیش تنیده را ارائه می کند که تحت آتش سوزی و گشتاور مثبت قرار گرفته اند. پارامتر هایی که در این مطالعه بررسی شده اند شامل نسبت بار، نسبت پیش تنش، و پیکربندی رشته های کابل پیش تنیده می باشد. بر اساس نتایج تست، می توان جمع بندی های زیر را ارائه کرد : • تیر های مرکب پیش تنیده یارزیابی شده بدون محافظت نسبت به آتش دارای مقاومت 20 تا 30 دقیقه ای نسبت به آتش سوزی می باشند. تنش در رشته های کابل ها در دمای بالا، تاثیر زیادی بر روی رفتار تیر دارد. • تیر های مرکب تست شده پیش تنیده با استفاده از رشته های کابل خمیده به سمت بالا دارای مقاومت آتش سوزی بیشتری در مقایسه با تیر های پیش تنیده با کابل های صاف می باشند. • نسبت بار دارای یک تاثیر منفی بر روی دمای شکست تیر های مرکب پیش تنیده می باشد و هر چه نسبت بار بیشتر باشد، دمای شکست پایین تر می باشد. تاثیر پیش تنش اولیه در رشته های کابل بر روی دمای شکست در تیر های تست شده محسوس نمی باشد، در حالی که سست شدن رشته های کابل ها منجر به شکست تیر ها در دمای بالا می شود. • مدل عددی توسعه یافته در این مقاله به صورت کافی می توانند رفتار تیر های مرکب پیش تنیده در برابر آتش را پیش بینی کنند و می توان از این مدل برای مطالعه های پارامتری بعدی استفاده کرد.

Abstract

This paper presents an experimental study on fire resistance of composite steel-concrete beams prestressed with external tendons. A total of four beams were tested under combined fire load and positive moment. Parameters investigated include load level, prestress level and type of cable strands configuration. Results show that the tested beams without fire protection had fire resistance of 20 min to 30 min. The fire resistance of composite steel-concrete beams prestressed with external tendons was highly influenced by the stress in the cable strands. The tested beams with bent-up cable strands had more fire resistance than the tested beams with straight cable strands. Prestress level had little influence on failure temperature of the tested beams, but the slack of cable strands induced failure of the test beams at high temperature. Furthermore, a finite element (FE) model was developed and successfully used to predict the fire behavior of the prestressed composite steel-concrete beams.

5. Conclusion

This paper presents the experimental study of prestressed composite beams subjected to fire and positive moment. The parameters investigated include load ratio, prestress ratio, and the configuration of prestressed cable strands. Based on the test results, the following conclusion can be drawn: • The investigated prestressed composite beams without fire protection have fire resistance of 20 min to 30 min. The stress in cable strands at elevated temperature has important influence on the beam behavior. • The tested composite beams prestressed by bent-up cable strands have higher fire resistance than the tested beams prestressed by straight cable strands. • Load ratio has negative effect on the failure temperature of prestressed composite beams, the greater the load ratio, the lower the failure temperature. The effect of initial prestress in the cable strands on failure temperature is not significant in the tested beams, while the slackness of the cable strands causes failure of the beams at elevated temperature. • The numerical model developed in this paper adequately predicts the fire behaviors of the prestressed composite beams, which can be used in further parametric studies.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تست های آتش سوزی در تیرهای کامپوزیتی فولادی مرکب پیش تنیده با میله های کششی خارجی

Fire tests on composite steel-concrete beams prestressed with external tendons

یک رویکرد چند مقیاس XFEM برای بررسی رفتار شکستگی مواد ترکیبی الهام گرفته زیستی

A multiscale XFEM approach to investigate the fracture behavior of bio-inspired composite materials

چکیده

1- مقدمه

2- مدل محاسباتی

2-1 مدل هندسی

2-2 تحلیل های عددی و ویژگی های مواد

3- نتایج و مباحث

نکات جمع بندی

چکیده

در تنظیمات روش های نو ظهور در طراحی مواد، ما استفاده از روش المان محدود توسعه یافته (XFEM) را بررسی می کنیم تا رفتار ترکیب های تقویت شده با فیبر با الهام از استخوان های زیستی را بررسی کرده و تاثیر آن را بر روی شکستگی بررسی کنیم. خروجی شبیه سازی ها نشان دهنده ی تطابق خوب با نتایج آزمایشی می باشد و نشان دهنده ی نقش کلیدی است که توسط ریز ساختار های ناهمگن در تغییر میدان تنش ایجاد می شود و ترمرکز تنش در نوک ترک را تغییر می دهد و ما همچنین نقش بحرانی سطح مشترک ( یعنی خط سیمان) را در ایجاد فعال سازی مکانیزم های سفت شدگی استخوان بررسی می کنیم تا بتوانیم تحمل کلی شکست این ترکیب ها را بررسی کنیم.

نکات جمع بندی

به صورت خلاصه، این مقاله یک روش عددی جدید مبتنی بر XFEM را ارائه می کند تا بتوان رفتار مکانیکی مواد مرکب الهام گرفته زیستی را که قبلا طراحی و تولید شده است را بررسی کرد و نقش ویژگی های ریز ساختار (خط سیمان) در روند شکستگی را بررسی کرد. خروجی این مطالعه نشان می دهد که این مدل می تواند رفتار آزمایشی و مکانیزم های سفتی را تقلید کند و تطابق خوبی از نظر ویژگی های مکانیکی و حالت های شکست دارد. نتایج ما در رابطه با نقش خط سیمان در ترکیب های زیستی ما اطلاعات جدیدی را ارائه داده و نشان دهنده ی اهمیت تقلید این ویژگی ها به عنوان یک ناحیه ی مشترک در مواد الهام گرفته از شرایط زیستی می باشد و منجر به افزایش فعال سازی مشخصه های مکانیزم های سفت شدن و ارتقای سفتی شکستگی می باشد. این روش های عددی پیشنهاد شده را می توان تنها برای پیش بینی حالت های شکست مواد مرکب استفاده کرد، همچنین می توان از آن ها برای ارزیابی نقش ریز ساختار های رفتار شکستگی کلی استفاده کرد. نتایج ارائه شده ممکن است منجر به درک بهتر روابط بین ساختار و ویژگی ها در مواد زیستی و زیست تقلیدی شود. با پیشرفت به جلو، این قالب کاری را می توان به عنوان یک ابزار برای بهبود راه حل های جدید طراحی استفاده کرده و راه حل های بهینه ای را در آینده ارائه کند و از تکنیک های بهینه سازی بهره ببرد.

Abstract

In the setting of emerging approaches for material design, we investigate the use of the extended finite element method (XFEM) to predict the behavior of a newly designed bone-inspired fiber-reinforced composite and to elucidate the role of the characteristic microstructural features and interfaces on the overall fracture behavior. The outcome of the simulations, showing a good agreement with the experimental results, reveals the fundamental role played by the heterogeneous microstructure in altering the stress field, reducing the stress concentration at the crack tip, and the crucial role of the interface region (i.e. cement line) in fostering the activation of characteristic toughening mechanisms, thus increasing the overall flaw tolerance of the composite.

4- Concluding remarks

In summary, this paper presented a novel numerical approach, based on XFEM, to investigate the mechanical behavior of a de novo bio-inspired composite, previously designed, manufactured and tested by the authors, and the role of a characteristic microstructural feature (i.e. the cement line) in the fracture process. The outcome of this study shows that the models were able to mimic the experimentally observed behavior and toughening mechanisms, showing a good agreement in terms of mechanical properties and failure modes. Our results also shed light on the role of the cement line in our bone-inspired composite and demonstrate the importance of mimicking such feature – as interface region – in new bone-inspired materials, promoting the activation of characteristic toughening mechanisms and enhancing the fracture toughness. This proposed numerical approach can be used not only to predict the failure modes of composite materials, but also to investigate the role of the microstructure on the overall fracture behavior. The presented results may also provide a better understanding of the relationship between the structure and the properties in biological and biomimetic materials. Going forward, this framework could be used as a tool to improve the current design solution and propose future optimal solutions, also leveraging on optimization techniques.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

یک رویکرد چند مقیاس XFEM برای بررسی رفتار شکستگی مواد ترکیبی الهام گرفته زیستی

A multiscale XFEM approach to investigate the fracture behavior of bio-inspired composite materials

پاسخ بیومکانیکی دیسک های بین مهره ای تخریب شده و ترمیم شده تحت بارگذاری ضربه ای – ارزیابی های Ex-vivo و در محیط سیلیکنی

Biomechanical response of intact, degenerated and repaired intervertebral discs under impact loading – Ex-vivo and In-Silico investigation

چکیده
1- مقدمه
2- مواد و روش ها
2-1 آزمایش های محیط مصنوعی
2-2 تست های آزمایشی در محیط طبیعی
2-3 مدل سازی FE الاستیک متخلخل و شناسایی مواد
2-4 شبیه سازی های FE بر اساس مدل های FE به روز رسانی شده خاص نمونه ها
2-5 تحلیل های آماری
3- نتایج
4- مباحث

چکیده

درک تاثیر بارگذاری ضربه ای بر روی پاسخ مکانیکی دیسک های میان مهره ای (IVD) یکی از مهمترین موضوعات برای ارزیابی مکانیزم های آسیب و تقسیمبندی کردن روش های درمانی موثر می باشد. این مطالعه از 24 بخش حرکتی گردنی خوکی استفاده کرده است تا بتواند پاسخ مکانیکی دیسک های سالم (8) ، تخریب شده ( دناتوره شده با تریپسین، 8) و ترمیم شده ( ترمیم شده با ژنپین 8) را تحت بارگذاری های ضربه ای مشخص کند. یک تحلیل کلی از شبیه سازی های المان محدود متخلخل و الاستیک نیز در ترکیب با تست های کشش و ضربه آزمایشگاهی در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است تا بتوان ویژگی های مواد را به دست آورد. تحلیل مستقیم نیز در این مطالعه با استفاده از مدل های FE خاص هر مدل انجام شده است تا بتوان تاثیر مدت زمان ضربه را هم ارزیابی کرد. بیشترین تنش محوری در IVD ها ، تنش های ون میسز در صفحه های نهایی و فشار متخلخل بین دیسک ها (IDP) نیز تحت پیش بارگذاری های 400 نیوتونی ، و سپس تحت توالی بار های ضربه ای برای 10 تکرار ( 10 تا 100 میلی ثانیه) ارزیابی شدند. نتایج به دست آمده در تطابق خوبی با آزمایش های کشش و ضربه بودند ( خطای کمتر از 10%). یک تفاوت محسوس نیز در بیشترین تنش محوری بین گروه دیسک های سالم و تخریب شده وجود داشت. در گروه دیسکهای تخریب شده، IDP به صورت محسوس کمتر بود. میزان تنش ون مسیز در صفحه های نهایی مجاور ، در اثر تخریب دیسک ها به صورت محسوس افزایش پیدا می کرد. ژنیپین اتصال دهنده میانی، این پتانسیل را دارد تا تغییرات ایجاد شده در دیسک های تخریب شده را تا حد زیادی بازیابی کند و گاهی می تواند پاسخ های مبتنی بر زمان را هم تغییر دهد، به خصوص در IDP ها. این موضوع بر اساس دانش ما، اولین مطالعه می باشد که تاثیر بارگذاری ضربه ای بر روی دیسک های سالم، تخریب شده و ترمیم شده را با استفاده از اعتبار سنجی های تست کششی و ضربه ای ارزیابی می کند.

4- مباحث

درک نقش بارگذاری ضربه ای بر روی ستون فقرات ، مرتبط با انرژی بالایی می باشد که در دوره کوتاهی از زمان آزاد می شود و ساختار های مختلف ستون فقرات را تحت تاثیر قرار می دهد و باعث می شود که IVD ها در معرض شکست و تخریب قرار بگیرند. در مقالات، در رابطه با پاسخ IVD نسبت به بارگذاری های ضربه ای مطالعه های محدودی موجود می باشد ، و دلیل آن نادر بودن این بارگذاری ها در شرایط فیزیولوژیک می باشد زیرا این نوع بارگذاری ها بیشتر در آسیب های سرعت بالا مثلا در تصادف های وسایل نقلیه ، شرایط نظامی یا مبارزه ای و یا ورزش های ضربه ای ایجاد می شود.

Abstract

Understanding the effect of impact loading on the mechanical response of the intervertebral disc (IVD) is valuable for investigating injury mechanisms and devising effective therapeutic modalities. This study used 24 porcine thoracic motion segments to characterize the mechanical response of intact (N = 8), degenerated (Trypsin-denatured, N = 8), and repaired (Genepin-treated, N = 8) IVDs subject to impact loading. A meta-model analysis of poroelastic finite element simulations was used in combination with ex-vivo creep and impact tests to extract the material properties. Forward analyses using updated specimen-specific FE models were performed to evaluate the effect of impact duration. The maximum axial stress in the IVDs, Von-Mises stress in the endplates, and intradiscal pore pressure (IDP) were calculated, under a 400 N preload, subject to a sequence of impact loads for 10 impact durations (10–100 ms). The results were in good agreement with both creep and impact experiments (error < 10%). A significant difference was found in the maximum axial stress between the intact and degenerated disc groups. The IDP was also significantly lower in the degenerated disc group. The Von Mises stress in the adjacent endplates significantly increased with degeneration. It is concluded that the disc time-dependent response significantly changes with disc degeneration. Cross-linker Genipin has the potential to recover the hydraulic permeability and can potentially change the time dependent response, particularly in the IDP. This is the first study, to our best knowledge, which explores the effect of impact loading on the healthy, degenerated and repaired IVD using both creep and impact validation tests.

4- Discussion

Understanding the role of impact loading on the spine is relevant due to the high energy released in a short period of time affecting various spinal structures and predisposing the IVD to premature degeneration and fracture. In literature, there is a paucity of data on the response of the IVD to impact loads, be it during rare abnormal occurrences in physiological activities, or as a result of high velocity trauma associated with motor vehicle accidents, military/combat situations, or impact sports.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

پاسخ بیومکانیکی دیسک های بین مهره ای تخریب شده و ترمیم شده تحت بارگذاری ضربه ای – ارزیابی های Ex-vivo و در محیط سیلیکنی

Biomechanical response of intact, degenerated and repaired intervertebral discs under impact loading – Ex-vivo and In-Silico investigation

طراحی ایزوله سازی ارتعاش برای پوسته های تقویت شده پریودیک به روش المان محدود Wave

Vibration isolation design for periodically stiffened shells by the wave finite element method

چکیده

1. مقدمه

2. تئوری موج و روش Wave FEM

2-1 قضیه Bloch و ناحیه Brillouin

2-2 روش Wave FEM

3. انتخاب موج

3-1 روش

3-2 تایید

4. بهینه سازی عددی

4-1 پارامترهای بهینه سازی و اهداف

4-2 الگوریتم بهینه سازی (الگوریتم ژنتیک)

4.3. طراحی شکاف باند

4-4 شبیه سازی و تأیید

5. نتیجه گیری ها

چکیده

سازه های غشائی سخت شده به دلیل قدرت ویژه و منحصر بفرد خود، به ویژه در اجزای مربوط به صنعت هوا-فضا پیوسته مورد استفاده قرار می گیرند. این مقاله یک روش المان محدود Wave اصلاح شده را ارائه می دهد که می-تواند به طور موثری برای پیش بینی ویژگی های شکاف باند  در ساختارهای پوسته ای سخت شده مورد استفاده قرار گیرد. برای تأیید اعتبارسنجی و کارایی Wave FEM، یک پوسته موتور هواپیما، که معمولایک سازه غشایی تقویت شده است، مورد استفاده قرار گرفت. توافق مناسب بین روش المان محدود موجی و روش المان محدود کلاسیک برای شرایط مرزی مختلف یافت شد. بدین ترتیب بر اساس Wave FEM، یک روش موثر جهت انتخاب موج به منظور فیلتر کردن مدهای شعاعی یک ساختار غشائی ارائه شده است. علاوه بر این، یک استراتژی بهینه با ترکیبی از Wave FEM و الگوریتم ژنتیک برای ساختارهای پوسته ای تقویت شده پریودیک ارائه شده است. شکاف باند مطلوب خارج از صفحه و جرم کل ساختار می تواند با استراتژی بهینه سازی تحت یک بار آیرودینامیکی به دست آید. نتایج همچنین نشان دادندکه پارامترهای هندسی تقویت کننده ها  می توانند به صورتی انتخاب شوند که ارتعاش خارج از صفحه را بطور قابل توجهی در نوار فرکانسی مطلوب کاهش دهند. این مطالعه می تواند رفرنس ارزشمندی برای طراحی شکاف باند در ایزوله سازی ارتعاش ارائه دهد.

1- مقدمه

سازه های پوسته ای نازک به طور گسترده ای برای کاهش وزن در سیستم های مکانیکی مدرن، مخصوصا در صنعت هوا فضا استفاده می شوند. تقویت کننده ها معمولا رفتار مکانیکی ساختارهای پوسته ای نازک را با تشکیل یک ساختار خاص با استحکام بیشتر بهبود می دهند، با این حال، یک سازه پوسته ای سخت شده همچنان نسبت به ارتعاشات حساس است. از بین بردن ارتعاشات با توجه به مدهای طبیعی مربوط به سازه، خصوصا در محدوده فرکانسی بالا، همواره دشوار است. در کاربردهای مهندسی، ممکن است به علت ارتعاش، رزونانس تشدید رخ داده و منجر به آسیب های شدید در ماشین ها شود.

5- نتیجه گیری ها

یک روش بهبود یافته Wave FEM با در نظر گرفتن دقیق شرایط مرزی و گره های داخلی در یک مختصات استوانه-ای با معرفی ایده انتخاب موج ارائه شده است. بنابراين ويژگي هاي شکاف باند پوسته تقویت شده پریودیک را مي-توان به طور موثر به دست آورد. روش بهینه سازی GA برای طراحی یک پوشش فن استفاده شد. پارامترها بهینه شدند، به طوری که موج در گستره وسیعی از فرکانس های مربوط به پهنای باند محدود نمی شود. روش ایزولاسیون ارتعاش در این مقاله می تواند یک مرجع برای کاربرد عملی در طراحی بهینه سازی پوسته های تقویت شده باشد.

Abstract

Periodically stiffened shell structures are widely used due to their excellent specific strength, in particular for aeronautical and astronautical components. This paper presents an improved Wave Finite Element Method (FEM) that can be employed to predict the band-gap characteristics of stiffened shell structures efficiently. An aero-engine casing, which is a typical periodically stiffened shell structure, was employed to verify the validation and efficiency of the Wave FEM. Good agreement has been found between the Wave FEM and the classical FEM for different boundary conditions. One effective wave selection method based on the Wave FEM has thus been put forward to filter the radial modes of a shell structure. Furthermore, an optimisation strategy by the combination of the Wave FEM and genetic algorithm was presented for periodically stiffened shell structures. The optimal out-of-plane band gap and the mass of the whole structure can be achieved by the optimisation strategy under an aerodynamic load. Results also indicate that geometric parameters of stiffeners can be properly selected that the out-of-plane vibration attenuates significantly in the frequency band of interest. This study can provide valuable references for designing the band gaps of vibration isolation.

1- Introduction

Thin shell structures have been widely used to reduce weight for modern mechanical systems, in particular for aeronautical and astronautical components Stiffeners are usually employed to improve the mechanical behaviour of thin shell structures, via forming a higher specific-strength structure, however, a stiffened shell structure is still susceptible to vibration. It is always difficult to suppress vibration due to natural modes inherent to the structure, in particular in the high frequency range. In engineering applications, the intense resonance may occur due to vibration and lead to severe hazards to machines [1e3].

5- Conclusions

An improved Wave FEM method has been put forward by considering the boundary and the internal nodes accurately in a cylindrical coordinate and by introducing a wave selection idea. Therefore the vibration band-gap characteristics of the stiffened periodic shell can be achieved efficiently. The optimisation method GA was adopted for the design of a fan casing. The configuration parameters are optimised so that the wave does not span across the concerned broad frequency range. The vibration isolation method developed in this article can provide a reference for the practical application on the optimisation design of the stiffened shells.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

طراحی ایزوله سازی ارتعاش برای پوسته های تقویت شده پریودیک به روش المان محدود Wave

Vibration isolation design for periodically stiffened shells by the wave finite element method