Unilateral contact,dynamic analysis of beams by a time-stepping,quadratic programming procedure

Summary This paper discusses a method for the dynamic analysis of a slender beam, undergoing «small» deformations and contrasted without friction by a supporting profile. The relevant contact-impact (unilateral constrained) problem is studied, with reference to a discrete model in space and time, after its formulation as a quadratic programming problem (Q.P.P.), with sign constraints only. The contact-impact problem for a rigid supporting profile is first solved, and subsequently the contact problem for an elastic profile.Among available algorithms for the numerical solution, the implicit unconditionaly stable algorithm of Zienkiewicz Wood and Taylor was proved to be the most efficient for the time discretization, while a modification of Hildreth-d'Esopo's algorithm with the introduction of a variable overrelaxation factor, was used for the solution of the Q.P.P.

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Sommario Il lavoro presenta un metodo per l'analisi dinamica di una trave snella sottoposta a piccole deformazioni e sostenuta senza attrito. Si studia il relativo problema di contatto-impatto (sotto vincolamento unilaterale), con riferimento ad un modello discreto nello spazio e nel tempo, previa formulazione come problema di programmazione quadratica, con soli vincoli in segno. Prima si risolve il problema contatto-impatto per il caso di supporto rigido e successivamente quello per un supporto elastico.Tra gli algoritmi disponibili per la risoluzione numerica, quello implicito e incondizionatamente stabile di Zienkiewicz, Wood e Taylor risulta il più efficiente per la discretizzazione nel tempo, mentre per la risoluzione del problema di programmazione quadratica si è usata una modifica dell'algoritmo di Hildreth e d'Esopo con l'introduzione di un fattore di sovrarilassamento variabile.

     

Study of the propagation of a torsional wave in a curved wire

Summary The problem of the propagation of a torsional wave in a curved wire is examined. The displacements with a natural and with a forced curvature are calculated and the corresponding dispersion relations are obtained on the basis of a purely elastic model.The results are discussed in connexion with the problem of the propagation of a signal in a wire-type acoustic delay line and compared with the results previously obtained by other workers.

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Sommario Si esamina il problema della propagazione di un'onda torsionale in un filo curvato. Viene svolto il calcolo degli spostamenti con curvatura sia naturale, sia imposta e si ottengono le corrispondenti relazioni di dispersione sulla base di un modello puramente elastico. Si discutono inoltre i risultati ottenuti, in relazione al problema della propagazione di un segnale in una linea di ritardo meccanica, confrontandoli con quelli precedentemente acquisiti da altri Autori.

     

New results on the semidiscrete Boltzmann equation for a binary gas mixture

Summary A plane semidiscrete model of the Boltzmann equation for a binary gas mixture with molecular collisions ruled by the hard-spheres interaction potential is described. After establishing a model, a theorem demostrating the global existence of mild solutions of the initial-value problem is given and the propagation of unidimensional shock waves examined.

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Sommario Si propone un modello semidiscreto piano dell'equazione di Boltzmann per una miscela binaria con collisioni molecolari soggette al potenziale di interazione delle sfere rigide. Costruito il modello, si dà un teorema di esistenza globale di soluzioni generalizzate per il problema di Cauchy, e si analizza la propagazione di onde d'urto unidimensionali.

     

Multi mass drive systems with stepped shafts

Summary A continuous model of a multi mass drive system with stepped shafts, loaded by external moments, is proposed and analysed by means of one dimensional torsional waves. A procedure is developed for calculation of velocities, strains and displacements in an arbitrary cross-section of the shafts, and some necessary conditions for the stability of angular displacements are formulated.

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Sommario Si propone un modello continuo di un sistema di guida a masse molteplici con alberi a sezione variabile con discontinuità, caricati da coppie esterne. L'analisi è condotta per mezzo di onde torsionali monodimensionali. Si sviluppa un procedimento per il calcolo di velocità, deformazioni e sponstamenti di una generica sezione degli alberi e si formulano condizioni necessarie per la stabilità degli spostamenti angolari.

     

Analysis and design of circular plates using the workhardening adaptation criterion

Summary A unified approach to both analysis (maximum load multiplier) and optimal design problems for workhardening adaptation of axialsimmetric plates is presented, via a continuous approach. The loads are assumed to arbitrarily vary but in a quasi-static manner and remaining inside a given convex loading domain. In such a framework, the assessment of the plastic deformations developed during the actual (a priori unknown) loading history is crucial, since these deformations may result to be excessive with respect to some given ductility criteria, eventhough workhardening adaptation has occured. The bounds on plastic deformations are formulated by means of a quadratic but convex function depending on some fictitious plastic strain. The nonlinear mathematical programming problem so obtained is linearized by a suitable decomposition of the nonlinear constraint into two equivalent constraints. The analysis problem is identified as a linear constrained maximization problem. The optimal design problem in the presence of limited ductility constraints, is identified as a nonlinear constrained minimization problem, the nonlinearity being due to both the objective function and to one only of the constraints: the latter however are herein shown to be suitably linearized. The optimality conditions of the mathematical programming problem are also studied and discussed, and the theory is applied to a case-study structure.

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Sommario Si studiano l'analisi (determinazione del moltiplicatore al collasso) ed il progetto ottimale di piastre radialsimmetriche di materiale rigido-plastico, assumendo come criterio base l'adattamento per incrudimento ed utilizzando un modello continuo. I carichi sono variabili in modo quasistatico all'interno di un dato dominio. In tale studio si riconosce il ruolo cruciale giocato dalla valutazione dell'entità delle deformazioni plastiche, sviluppate durante la (incognita) storia di carico reale, deformazioni che possono risultare eccessive rispetto a certi requisiti, anche in presenza di adattamento. Viene quindi ricercata una maggiorazione a priori delle deformazioni e si perviene ad una forma di tipo non lineare; il vincolo non lineare che ne scaturisce viene sdoppiato in due vincoli più semplici ad esso equivalenti. La formulazione del problema di analisi si identifica in un problema lineare di massimo vincolato. La formulazione del problema di progetto si identifica in un problema di minimo vincolato, con funzione obiettivo e vincoli non lineari, ma facilmente linearizzabili. Si studiano anche le condizioni di ottimalità del problema di progetto. Una applicazione conclude il lavoro.

     

Some observations on a two-dimensional model of bed-load transport based on the moving layer equation

Summary As many hydraulic problems involving numerous independent physical variables the sediment transport phenomena are generally analysed by means of empirical formulas, that are based on dimensional analysis and experimental data fitting.A schematic mechanical moving-layer model is proposed in order to derive more informations about the local behaviour of the grains movement.Although the resulting mathematical problem seems arduous to integrate in a general way, its characteristics are analysed and the results are compared with its physical behaviour.

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Sommario I fenomeni di trasporto dei sedimenti come molti problemi idraulici legati a numerose variabili fisiche, vengono in genere affrontati con l'impiego di formule fenomenologiche basate sull'analisi dimensionale e sull'adeguamento ai risultati sperimentali.Per conseguire una migliore conoscenza delle leggi del moto dei grani di sedimento viene proposto un modello meccanico semplificato a strato mobile.Il problema matematico risultante non consente un'integrazione diretta ma dall'analisi del suo campo di impiego si ottengono le caratteristiche del problema che vengono messe a confronto con i comportamenti fisici noti per via sperimentale.

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Work supported by the grant C.N.R. n^o 76.01123.07.     

On the elastic problem of the non-homogeneous anisotropic reticulated body resting on a lattice

Summary A reticulated body is examined, which is constituted by pin-jointed members; the joints coincide with the points of a lattice; the members can be arbitrarily distributed.The problem of the elastic equilibrium of such a body is studied, proposing a method of solution based on the interpretation of the reticulated body as a continuum.In particular, we assume as model a body constituted by molecules, placed in the joints and centrally attracting or repelling one another.The elastic properties of such a model are defined according to Cauchy-Poisson theory, as functions of the rigidities of the members of the reticulated body; in general, the resultant model is anisotropic and non-homogeneous.The method suggested is different from the similar ones[1], [2], [3], by being based on the rigorous definition of the model of the reticulated body.This method is a generalization of a more restricted method applied to the study of the cubic homogeneous reticulated bodies[4], [5]; it attributes to the joints of the reticulated body the displacements of the corresponding points of the continuum model and consequently determines the stresses in the members.The errors made with the explained method are deduced by comparing the equations of the continuum model with those of the reticulated body; by reiterating the method, we can reduce these errors to as small as we want.

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Sommario Si esamina un corpo a struttura reticolare, costituito da aste articolate a cerniera: i nodi coincidono con i punti di un sistema regolare nello spazio, le aste possono essere comunque distribuite.Si affronta il problema dell'equilibrio elastico di un tale corpo proponendo un metodo di soluzione fondato sulla interpretazione del reticolo come un continuo.In particolare si assume come modello un corpo costituito da molecole poste in corrispondenza dei nodi e soggette ad azioni mutue dirette secondo le congiungenti i loro centri.Le costanti elastiche del modello sono fissate, seguendo il modello di Cauchy-Poisson, in funzione delle rigidezze delle aste del reticolo; nel caso più generale il modello che ne consegue sarà anisotropo ed eterogeneo.Il procedimento che si propone si differenzia dai procedimenti similari[1], [2], [3], in quanto è fondato sulla definizione rigorosa del modello del reticolo.Esso è la generalizzazione di quello applicato allo studio dei reticoli omogenei cubici[4], [5] e consiste nell'assegnare ai nodi del reticolo gli spostamenti dei corrispondenti punti del modello continuo e nella conseguente determinazione degli sforzi nelle singole aste.Gli errori che si commettono con tale procedimento vengono dedotti dal confronto fra le equazioni del modello e quelle del reticolo; essi possono rendersi piccoli a piacere mediante opportune iterazioni.

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A Stefan-type free boundary problem in a thermal switch

Summary We study a mathematical model of thermal switch in a glass under the Joule heating. We prove the existence of solutions for the free boundary problem related to the model. This problem is a Stefan-type problem with a source depending on the free boundary and the latent heat depending on the history of the free boundary.

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Sommario Si studia un modello matematico che descrive un fenomeno di cambiamento di fase in un vetro attraversato da una corrente elettrica. In particolare si dimostra l'esistenza di soluzioni per il problema a frontiera libera connesso con il modello. Questo problema è del tipo di Stafan, con sorgente funzione della frontiera libera e con calore latente che dipende dalla storia della frontiera.

     

Shock structure in an ultrarelativistic gas

Summary The shock structure problem is investigated in the framework of the Eckart theory of irreversible thermodynamics in the ultrarelativistic limit. It is considered a neutrino gas and a gas in the approximation of hard sphere model.

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Sommario Si tratta il problema della struttura dell'urto nello schema della teoria di Eckart della termodinamica irreversibile nel limite ultrarelativistico. In questo ambito si considerano un gas di neutrini ed un gas nell'approssimazione del modello di sfere rigide.

     

Absence of turbulence in a unidimensional model of fluid motion (Burgers model)

Summary We study a quasilinear partial differential equation which is a classical unidimensional model of fluid motion (Burgers equation). We consider the problem in a finite interval with stationary boundary conditions. The aim is to see whether the model shows transitions in the asymptotic behaviour as viscosity varies. We show that there is always a unique stationary solution, which is explicitely exhibited, and, by using the Hopf-Cole transformation, that it is globally attractive for any value of the viscosity, both in the homogeneous and inhomogeneous case.

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Sommario In questo lavoro si considera un classico modello unidimensionale della fluidodinamica, consistente in un'equazione alle derivate parziali parabolica quasilineare (equazione di Burgers). Si considera il problema in un intervallo con condizioni al contorno stazionarie. L'intento è quello di indagare se il modello presenta transizioni nel comportamento asintotico al variare della viscosità. Facendo uso della trasformazione di Hopf-Cole si trova che la soluzione stazionaria (che viene calcolata esplicitamente) è globalmente attrattiva per ogni valore della viscosità, sia nel caso omogeneo che in presenza di una forza.

     

Chemical convective instability and quasi-equilibrium thermodynamics

Summary A nonlinear stability analysis is described for the Bénard problem for a chemically reacting fluid heated from above; the findings are compared with those of Wollkind & Frisch. Next an energy stability analysis is given for the model of Wollkind & Frisch and it is shown that instabilities may occur.

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Sommario Si sviluppa un'analisi non lineare della stabilità per il problema di Bénard relativo ad un fluido chimicamente reagente e riscaldato dall'alto; i risultati sono confrontati con quelli trovati in precedenza da Wollkind & Frisch. Successivamente si elabora un'analisi non lineare della stabilità proprio per il modello di Wollkind & Frisch e si mostra che si possono presentare delle instabilità.

     

An apparent paradox in the mechanics of strings

We show with a simple example that cases of incompatibility (first displayed by Signorini) between the nonlinear and the linearized version of the same problem occur also in contact problems.

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Sommario Si mostra con un esempio elementare che casi di incompatibilità alla Signorini tra i risultati dello studio non-lineare e di quello linearizzato di uno stesso problema si presentano anche in problemi di contatto.

     

Sufficient uniqueness and stability conditions for elastic-plastic structures with associated flow laws

Summary The incremental problem for elastic-plastic structures with associated flow laws is stated in terms of an integral equation, whose characteristics and solution are discussed.It is then shown how a simpler problem whose condition of uniqueness of solution constitutes an easily applicable sufficient condition of uniqueness and stability of response for the incremental problem may be deduced.

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Sommario Si formula il problema incrementale per strutture elastoplastiche con leggi di scorrimento associate in termini d'una equazione integrale della quale si discutono le caratteristiche e il criterio di soluzione.Si mostra infine come dal problema incrementale possa essere dedotto un più semplice problema la cui condizione di unicità di soluzione costituisce per il problema incrementale una condizione sufficiente di unicità e stabilità della risposta, di semplice applicabilità.

     

On the role of the adjoint problem in dissipative,nonconservative problems of elastic stability

Summary The asymptotic stability of linear isotropic Kelvin-Voigt solids subjected to external damping and noncon-servative surface tractions which are linear functions of displacements and displacement gradients is considered. The boundary value problem that is adjoint to the original system is derived, and a variational principle from which these two boundary value problems may be generated is stated. The variational principle serves as a basis for an approximate method (similar to the Ritz method) for solving nonconservative stability problems in which the effects of internal and external damping are present. The method is applied to determine the value of the critical load intensity Q_cr in a cantilever and a clamped-simply supported beam subjected to a linearly distributed tangential load as well as to internal and external damping forces. Plots of the variation of Q_cr with the two damping parameters are given, and it is shown the nature of the boundary conditions can have a significant effect on the manner in which Q_cr varies as a function of the damping parameters.

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Sommario Si considera la stabilità asintotica di solidi isotropi e lineari di Kelvin e Voigt sollecitati da forze smorzanti proporzionali alla velocità e carichi superficiali non conservativi, i quali sono funzioni lineari di spostamenti e derivate di spostamenti. Si deduce il problema ai limiti che è aggiunto al sistema originario di equazioni di campo, e si imposta un principio variazionale dal quale si generano questi due problemi ai limiti. Il principio variazionale serve come base per un procedimento approssimato (simile al metodo di Ritz) per risolvere problemi non conservativi di stabilità elastica nei quali sono presenti gli effetti di smorzamento interno ed esterno. Si applica questo procedimento per constatare il valore critico del parametro dell'intensità del carico, Q_cr, in una mensola e una trave con un estremo incastrato e l'altro incernierato, caricate da una distribuzione continua di forze di modulo che varia linearmente con la coordinata di posizione e retta d'azione solidale con la deformata del l'asse della trave. Si mostrano grafici dell'andamento di Q_cr con i due parametri di smorzamento, e si nota che il tipo di vincolo alle estremità della trave può avere un effetto significante sulla maniera in cui Q_cr varia come una funzione dei parametri di smorzamento.

     

The semidiscrete Boltzmann equation for hard-spheres

Summary This paper deals with a semi-discrete model of the Boltzmann equation, such that the velocity distribution is discretized in modulus, but non in direction. The mathematical model is described in details, then the formulation of the initial value problem is proposed; the mathematical analysis supplies some rigorous results on the global mild solution and on its asymptotic behaviour.

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Sommario Si studia un modello di equazione di Boltzmann semidiscreta, caratterizzato dal fatto che le velocità sono discretizzate in modulo e non in direzione. Viene descritto in dettaglio il modello, quindi si studia il problema di Cauchy, fornendo indicazioni sul comportamento asintotico della soluzione.

     

Stefan-like problems

This paper presents an overview of the free boundary problems connected to the problem of Stefan type or, more generally, to problems describing a change of phase. After a sketch of the historical development of the research in the area, some specific questions are addressed, such as classical solvability of the problem in several space dimensions, regularization of supercooling, dynamical contact angle.

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Sommario Il lavoro presenta una visione generale dei problemi a frontiera libera del tipo di Stefan o ad esso collegati, e più in generale dei problemi che descrivono cambiamenti di fase. Dopo aver riassunto lo sviluppo storico delle ricerche in questo campo, viene dedicata maggiore attenzione ad alcuni problemi specifici come la risoluzione classica di problemi multidimensionali, la regolarizzazione dei problemi con sovraraffreddamento, il problema dell'angolo di contatto.

     

A quadratic programming approach for certain classes of non linear structural problems

Summary The search for the deviation from the linear elastic, of the response of a nonlinear discrete structure to given loads, is formulated for various classes of cases. All the problems considered are shown to be reducible to a single mathematical model: the quadratic program with sign constraints only. The Kubn-Tucker theorem for quadratic programming directly supplies the appropriate extremum principles, for which some physical interpretations are proposed. Other results of quadratic programming theory prove to be useful in the discussion of the structural problems considered.

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Sommario Si considerano certe categorie di strutture costituite da un numero discreto di parti a comportamento non lineare e si formula il problema della ricerca dello scostamento del loro stato di sforzo e deformazione per dati carichi, da quello che si avrebbe in regime elastico lineare. Nei vari casi considerati il problema si riduce ad un programma quadratico con variabili soggette solo a restrizioni di segno. Il teorema di Kuhn e Tucker per programmazione quadratica fornisce gli opportuni principi di estremo, per i quali si propongono interpretazioni fisiche. Altri teoremi di programmazione quadratica si rivelano utili nel discutere la soluzione dei problemi formulati.

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This research was conducted during the author's stay at the Engineering Department of Cambridge University, England, with the financial support of a N.A.T.O. fellowship 1965–66. The author wishes to thank Professor Sir John Baker, Head of the Department, for the kind hospitality, and the C.N.R. (National Research Council) for the award of the fellowship.     

The problem of the rotating plate

Summary The problem of determining stresses and displacements in a homogeneous rectangular plate rotating at constant angular speed about the barycentric axis, perpendicular to the plane of the plate, is considered. It is shown that this problem, if one assumes that the material is linear elastic with Poisson's ratio v, exhibits the same mathematical difficulties as the well-known problem of the rectangular plate subjected to parabolically-distributed tensile stress at two opposite sides.At difference from other methods employed in the past, a kind of solution based on biharmonic polynomials is proposed. This solution satisfies one boundary-condition exactly. The remaining three are satisfied in the mean. An evaluation of the error is performed.

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Sommario Dal punto di vista della teoria dell'elasticità infinitesima si studia il problema della determinazione della tensione e della deformazione di una lamina rettangolare omogenea rotante con velocità angolare costante attorno all'asse baricentrico perpendicolare al piano della lamina stessa. Si dimostra che questo problema, se si vuole tenere conto del fattore di Poisson v, presenta le stesse difficoltà del ben noto problema della lamina rettangolare soggetta a forze con andamento parabolico su due lati opposti. In alternativa ai metodi già utilizzati in passato in casi come questo, si propone un tipo di soluzione basata su polinomi biarmonici che soddisfano esattamente solo una delle quattro condizioni al contorno. Le rimanenti tre sono soddisfatte in media. Si effettua una stima dell'errore.

     

Phase transitions and hysteresis in nonlocal and order-parameter models

The paper describes two types of regularization to the basic quasistatic double-well potential problem in one space dimension. One model features a spatially nonlocal term while the other incorporates the use of an order parameter. Some basic existence and regularity results for these modified models are derived and some numerical calculations that show hysteresis and motion of phase boundaries are presented.

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Sommario Il lavoro descrive due tipi di regolarizzazione del problema quasistatico per un potenziale con due minimi in una dimensione. Un modello evidenzia caratteri di non località spaziale, mentre l'altro conduce ad una teoria con parametro d'ordine. Si derivano alcuni risultati di esistenza e regolarità e si presentano alcuni studi numerici che mostrano l'isteresi e il moto delle frontiere tra le fasi.

     

The dilation group and dimensionless quantities in classical and relativistic hydrodynamics

Summary We examine from a group theoretical point of view the approach to the study of hydrodynamics given by dimensional analysis. We will study the action of the dilation group: it transforms a hydrodynamical problem into a “similar” one i.e. into a problem differring by the choice of the units. We want to find and relate to group properties the quantities whose constancy is sufficient to guarantee the similiarity of two problems. We introduce the concept of commensurable problems and we find that the dimensionless quantities which are commonly used in hydrodynamics (such as the Reynolds number e.g.) when restricted to this subclass of problems are sufficient to label the orbits of the dilation group i.e. the sets of the similar problems. The relativistic version of this analysis and some other extensions will be also considered.

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Sommario Si studia da un punto di vista gruppale l'approccio che l'analisi dimensionale fornisce allo studio della idrodinamica. Verrà esaminata l'azione del gruppo delle dilatazioni: esso trasforma un problema idrodinamico in uno “simile”, in uno cioè che differisce per la scelta delle unità. Verranno indicate e collegate a proprietà gruppali quelle grandezze la cui costanza è sufficiente ad assicurare che due problemi siano simili. Dopo aver introdotto il concetto di problemi commensurabili, troviamo che quelle quantità adimensionali, come il numero di Reynolds per esempio, che si usano normalmente in idrodinamica sono sufficienti a caratterizzare le orbite per il gruppo delle dilatazioni, cioè gli insiemi dei problemi simili, quando ristrette alla sottoclasse dei problemi commensurabili. Si considerano anche la versione relativistica ed alcune altre estensioni di questa analisi.