Plasticity with non-linear kinematic hardening: modelling and shakedown analysis by the bipotential approach

The class of generalised standard materials is not relevant to model the non-associative constitutive equations. The possible generalisation of Fenchel's inequality proposed by de Saxcé allows the recovery of flow rule normality for non-associative behaviours. The normality rule is written in the weak form of an implicit relation. This leads to the introduction of the class of implicit standard materials. This formulation is applied to constitutive equations involving non-linear kinematic hardening, indispensable to describe accurately and realistically the cyclic plasticity of metallic materials. For these plastic flow rules shakedown bound theorems can be extended; an analytical example of the shakedown of a thin-walled tube under constant traction and alternate cyclic torsion is considered and the obtained solution is proved to be exact.     

Objective constitutive relations in elasticity and viscoelasticity

Summary The compatibility between the objectivity principle and affine constitutive equations for the elastic Cauchy and Piola-Kirchhoff stress tensors with non-zero residual stress is examined. It is found that the Cauchy stress is allowed to be only a constant tensor, proportional to the identity tensor, while the Piola-Kirchhoff stress may be a linear function on the deformation gradient thus generalizing previous results by Fosdick and Serrin. The same conclusions are arrived at also by starting from viscoelasticity. Finally, in the case of Maxwell-like materials, the solutions to the objective evolution equations are shown to be objective functionals.

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Sommario Si esamina la compatibilità tra il principio di obiettività ed equazioni costitutive affini per i tensori di stress elastici di Cauchy a Piola-Kirchhoff con stress residuo non nullo. Generalizzando risultati di Fosdick e Serrin si prova che il tensore di Cauchy può essere soltanto un tensore costante, proporzionale al tensore identità, mentre il tensore di Piola-Kirchhoff può essere una funzione lineare del gradiente di deformazione. Alle stesse conclusioni si perviene anche partendo dal funzionale della viscoelasticità. Infine si mostra che, per materiali tipo Maxwell, le soluzioni di equazioni di evoluzione obiettive sono funzionali obiettivi.

     

On induced discontinuities in a class of linear materials with internal state parameters

Summary The governing differential equations of induced discontinuities behind longitudinal and transverse shock waves are derived for a class of linear materials with internal state parameters. These equations indicate that the behavior of the induced discontinuities depends, in particular, on the behavior of the shock amplitudes and non-linearly on the wave surface geometries. Solutions for the case of plane waves with initially flat profiles are obtained, and they indicate that the global behavior of the induced discontinuities need not be monotone depending on the interpretation of the material responses.

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Sommario Le equazioni di evoluzione per discontinuità indotte da onde d'urto longitudinali e trasversali sono ricavate per una classe di materiali lineari con parametri di stato interni. Tali equazioni indicano che il comportamento delle discontinuitá indotte dipende, in particolare, dall'ampiezza dell'onda d'urto e, non linearmente, dalla seconda forma fondamentale della superficie. Le soluzioni, ottenute in corrispondenza di onde piane con profilo iniziale piatto, mostrano che il comportamento delle discontinuità indotte non è monotono ed é legato ai parametri che caratterizzano il materiale.

     

Towards variational constitutive updates for non-associative plasticity models at finite strain: Models based on a volumetric-deviatoric split

In this paper, an enhanced variational constitutive update suitable for a class of non-associative plasticity theories at finite strain is proposed. In line with classical numerical formulations for plasticity models, such as the by now established return-mapping algorithm, variational constitutive updates represent a numerical method for computing the unknown state variables. However, in contrast to conventional algorithms, variational constitutive updates are fully variational, i.e., all unknown variables follow jointly from minimizing a certain potential. In addition to the physical and mathematical elegance of these variational schemes, they show several practical advantages as well. For instance, numerically efficient and robust optimization schemes can be directly employed for solving the resulting minimization problem. Since mathematically, plasticity is a non-smooth problem and often, it leads to highly singular systems of equations as known from single crystal plasticity, a robust implementation is of utmost importance. So far, variational constitutive updates have been developed for different classes of standard dissipative solids, i.e., solids characterized by associative evolution equations and flow rules. In the present paper, this framework is extended to a certain class of non-associative plasticity models at finite strain. All models falling into this class show a volumetric-deviatoric split of the Helmholtz energy and the yield function. Typical prototypes are Drucker-Prager or Mohr-Coulomb models playing an important role in soil mechanics. The efficiency and robustness of the resulting algorithmic formulation is demonstrated by means of selected numerical examples.     

A direct nonlinear theory of elastic membranes

Summary The authors develop a nonlinear theory of elastic membranes which accounts for thickness effects. By assuming the existence of a strain energy function and postulating a principle of virtual work which governs the mechanical behavior of an elastic directed surface, the field equations and the general constitutive relations are obtained for both the compressible and incompressible case. These equations are identical with those arrived at by a suitable limiting process applied to the three dimensional equations of nonlinear elasticity.

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Sommario Gli autori sviluppano una teoria non lineare delle membrane elastiche che tiene conto degli effetti dello spessore. Assumendo l'esistenza di una funzione energia di deformazione e postulando un principio di lavoro virtuale che governa il comportamento meccanico di una superficie elastica orientata si ottengono le equazioni di campo e le relazioni costitutive generali sia per il caso compressibile che per l'incompressibile. Queste equazioni sono identiche a quelle a cui si arriva con un opportuno processo di limite applicato alle equazioni tridimensionali della elasticità non lineare.

     

The thermodynamics of fatigue-sensitive materials

Summary In this paper we derive the restrictions on the constitutive equations of a class of materials having perfect memory on a bounded interval of time in their past history. These restrictions are imposed by the Clausius-Duhem inequality and by the requirements of physically reasonable response to temperature changes and to displacement.

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Sommario In questo lavoro si deducono le restrizioni sulle equazioni costitutive di una classe di materiali aventi memoria perfetta su un intervallo di tempo limitato della loro storia. Queste restrizioni sono imposte dalla disuguaglianza di Clausius-Duhem e dall'esigenza di risposte fisicamente attendibili ai cambi di temperatura e di spostamento.

     

Vector green's function method for unsteady Navier-Stokes equations

Summary The Green's function method is reformulated in general terms to treat vector unsteady and nonlinear equations. The particular expressions of the adjoint linear operator, the Green's formula and the integral representation of the solution are derived for unsteady Navier Stokes equations. The appropriate fundamental solutions for incompressible and for certain compressible flows have been obtained in closed form. Both the positive features and the possible limits of the method are briefly outlined.

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Sommario Si riformula in termini generali il metodo della funzione di Green per estenderlo al caso di equazioni vettoriali e non lineari. In particolare si ricavano le espressioni della formula di Green e della rappresentazione integrale della soluzione per le equazioni di Navier Stokes non stazionarie. Si ottengono le soluzioni fondamentali in forma chiusa sia per il caso di fluidi comprimibili che incomprimibili. Si discutono infine brevemente i lati positivi ed i possibili limiti della metodologia illustrata.

     

An engineering theory of soil behaviour in unloading and reloading

Summary A constitutive law is proposed for describing the stress-strain characteristic of soils in unloading-reloading. The constitutive equations are valid piecewisely between subsequent, appropriately formulated, stress reversal loci. The stress-strain relationships are formulated in terms of generalized stress and strain differences referred to the last stress reversal point and connected through a variable compliance tensor. The shear compaction effect is modelled by a suitable formulation of the compliance tensor.Specialization to conventional triaxial condition is given. As well as fitting available experimental data in unloading-reloading of normally consolidated and overconsolidated clays, the proposed constitutive relation can model the dependence on OCR of the shape of the undrained effective stress paths, the phenomenon of cyclic mobility of clay in undrained compression and the unloading-reloading stress paths in the oedometer. The theory requires the identification of only three material constants in addition to those pertinent to the usual elastoplastic theory of soil with which it may be easily combined.

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Sommario Si propone una legge costitutiva per descrivere il legame sforzi-deformazioni dei terreni sottoposti a processi di scarico e ricarico. Le equazioni costitutive sono formulate a tratti e definite su un dominio limitato dai luoghi di inversione di carico. Nella formulazione della legge costituitiva verranno introdotte delle variabili generalizzate di sforzo riferite all'ultimo punto di inversione di carico. Queste variabili sono legate alle deformazioni, riferite anche esse allo stato relativo all'ultimo punto di inversione di carico, da un tensore di cedevolezza variabile. Un'adeguata formulazione di questo tensore permette di modellare l'efferio di densificazione sotto carico deviatorico ciclico.Questa legge costitutiva interpreta bene i risultati sperimentali su argille normalmente consolidate e sovraconsolidate. La teoria permette anche di descrivere la dipendenza del percorso degli sforzi efficaci in condizioni non drenate dal grado di sovraconsolidazione, la mobilità ciclica dell'argilla in condizioni non drenate e il percorso degli sforzi efficaci in un processo di scarico e ricarico in un edometro.Per identificare il modello sono necessari solo tre parametri oltre a quelli necessari per identificare il comportamento del terreno vergine.

     

Thermodynamic theory for porous piezoelectric materials

In the context of a temperature rate-dependent formulation of thermodynamics for porous piezoelectric materials, we derive the basic equations of the linear theory by discussing restrictions on constitutive equations with the help of an antropy production inequality proposed by Green and Laws. Some basic theorems concerning reciprocity and uniqueness are also established.

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Sommario Nell'ambito di una teoria della termoelasticità generalizzata si stabiliscono le equazioni di base per mezzi piezoelecttrici porosi. Si studiano, inoitre, alcuni teoremi di reciprocità e unicità.

     

Nonlinear finite element analysis of no-tension masonry structures

A numerical approach for structural analysis of masonry walls in plane stress conditions is presented. The assumption of a perfectly no-tension material (NTM) constitutive model, whose relevant equations are in the form of classical rate-independent associated flow laws of elastoplastic material, allows one to adopt numerical procedures commonly used in computational plasticity. An accuracy analysis on the integration algorithm employed in the solution of constitutive relations has been carried out. The results obtained for some relevant case-studies and their comparison with data, available in the literature show the effectiveness of the proposed method.

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Sommario Si presenta un approccio numerico per l'analisi strutturale di pareti in muratura in stato piano di tensione. L'assunzione di un modello costitutivo per materiale perfettamente non resistente a trazione (NTM), le cui equazioni sono esprimibili nella classica forma incrementale delle leggi dello scorrimento plastico di tipo associato per materiali elastoplastici, consente di adottare procedure numeriche comunemente utilizzate in plasticità computazionale. Si conduce un'analisi di accuratezza dell'algoritmo utilizzato nell'integrazione delle equazioni costitutive del modello esaminato. I risultati ottenuti per alcuni casi analizzati ed il confronto effettuato con esempi riportati in letteratura mostrano l'efficienza dell'approccio proposto.

     

Waves features of a non linear theory of porous media

Summary In this paper a one-phase porous medium is considered within the non linear theory proposed by G. Szefer [4].Among the other things by requiring, for the fundamental system of equations, the existence of exceptional waves, as usual in several non linear theories, we are able to characterize possible classes of constitutive laws for the elastic response functions and the porosity of the medium.

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Sommario Nella presente nota si considera un mezzo poroso mono-fase seguendo la teoria non lineare dei mezzi porosi proposta da G. Szefer. Richiedendo, com'è solito nelle teorie non lineari, l'esistenza di onde eccezionali, si caratterizzano classi di legami costitutivi per le funzioni di risposta elastica e per la porosità del mezzo.

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This work is supported by C.N.R. through the G.N.F.M.     

On the disappearence of shear waves and longitudinal waves in a solid body subject to high stresses and large strains

Summary This paper deals with acceleration waves in viscoplasticity and elasticity. It is shown that the governing system of partial differential equations may lose hyperbolicity, i.e., acceleration waves will not propagate in the presence of sufficiently large strains and stresses. A possible application to geophysics is also briefly discussed.

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Sommario L'articolo tratta di onde di accelerazione in mezzi viscoplastici ed elastici. Si mostra che il sistema di equazioni che regge il moto può perdere la propria iperbolicità, cioè, che le onde di accelerazione non si propagano in presenza di sforzi e deformazioni sufficientemente grandi. Si discute infine una possibile applicazione in geofisica.

     

Yield conditions for incompressible isotropic and orthotropic materials with different yield stress in tension and compression

Summary Two modified Tresca yield conditions are proposed for plastically incompressible isotropic and orthotropic materials with different yield stress in tension and compression.

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Sommario Dimostrata la non necessarietà d'introduzione dei termini idrostatici nella condizione di plasticità dei materiali dotati di differente resistenza a trazione e compressione vengono proposti due criteri di plasticità di cui uno per i materiali isotropi ed uno per i materiali ortotropi.

     

Unsteady Flow of an Oscillating Porous Disk and a Fluid at Infinity

An exact analytic solution of the unsteady Navier–Stokes equations is obtained for the flow caused by the non-coaxial rotations of a porous disk and a fluid at infinity. The porous disk is executing oscillations in its own plane with superimposed injection or suction. An increasing or decreasing velocity amplitude of the oscillating porous disk is also discussed. Further, it is shown that a combination of suction/injection and decreasing/increasing velocity amplitude is possible as well. In addition, the flow due to porous oscillating disk and a fluid at infinity rotating about an axis parallel to the z-axis is attempted as a second problem. Sommario. Si studia il flusso non stazionario prodotto dall'oscillazione di un disco poroso in un fluido e si fornisce una soluzione analitica delle equazioni di Navier–Stokes. Si discute l'effetto di una suzione/iniezione e di una variazione sull'ampiezza della velocità' di oscillazione. Infine si studia il flusso dovuto alle oscillazioni non coassiali di un disco poroso e di un fluido all'infinito.     

Inertial and self interactions in structured continua: Liquid crystals and magnetostrictive solids

Evolution equations for liquid crystals and for magnetostrictive solids are discussed within the framework of a theory of continua with microstructure that allows for mechanical self-interactions and non-standard inertial terms.

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Sommario Si discutono equazioni di evoluzione per cristalli liquidi e per solidi magnetostrittivi nell'ambito di una teoria dei continui con microstruttura che contempla la possibilità sia di autointerazioni meccaniche che di termini inerziali non standard.

     

Stochastic seismic analysis of offshore towers

Summary After a brief review of the main problems and the most common analysis methods for offshore structures, a method of analysis for offshore towers submerged in water and subjected to strong earthquake motions is proposed. Nonlinear drag effects as well as random non-stationary seismic excitations are considered by means of a linearization technique based on a particular step-by-step procedure. Using a discrete lumped-mass model, the standard deviations of nodal displacements and velocities are evaluated. The probability of not exceeding a defined threshold of nodal displacements is also computed.

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Sommario Dopo una breve panoramica sui problemi e le soluzioni esistenti per le strutture offshore, si valuta la risposta di una struttura a torre immersa in acqua sotto eccitazioni sismiche di tipo non stazionario. Si prendono in considerazione le non linearità insite in tali sistemi utilizzando tecniche di linearizzazione equivalente mediante un procedimento di calcolo al passo nel dominio dei tempi.Si valutano le deviazioni standard degli spostamenti e delle velocità nodali, per uno schema a masse concentrate ai vari livelli ed operati alcuni confronti attraverso valutazioni numeriche, si calcolano le probabilità di non eccedenza rispetto a prestabiliti valori di soglia.

     

Multiresolution Analysis of Elastic Degradation in Heterogeneous Materials

In this study we examine the stiffness properties of heterogeneous elastic materials and their degradation at different levels of observations. To this end we explore the opportunities and limitations of multiresolution wavelet analysis, where successive Haar transformations lead to a recursive separation of the stiffness properties and the response into coarse- and fine-scale features. In the limit, this recursive process results in a homogenization parameter which is an average measure of stiffness and strain energy capacity at the coarse scale. The basic concept of multiresolution analysis is illustrated with one- and two-dimensional model problems of a two-phase particulate composite representative of the morphology of concrete materials. The computational studies include the microstructural features of concrete in the form of a bi-material system of aggregate particles which are immersed in a hardened cement paste taking due account of the mismatch of the two elastic constituents. Sommario. In questo studio si esaminano le proprietà di rigidezza di materiali elastici eterogenei ed il loro degrado a diverse scale di osservazione. A questo scopo si esplorano le opportunità e le limitazioni di analisi con wavelets a risoluzione multipla, dove successive trasformazioni di Haar conducono ad una separazione ricorsiva della proprietà della rigidezza e della risposta nelle loro caratteristiche di scala fine e grossolana. Al limite, questo processo ricorsivo dà luogo ad un parametro di omogeneizzazione che rappresenta una misura media della rigidezza e della capacità di immagazzinare energia di deformazione alla grande scala. Il concetto di base dell'analisi a risoluzione multipla è illustrato per mezzo di problemi modello mono- e bi-dimensionali che si riferiscono ad un composito particolato a due fasi rappresentativo della morfologia del calcestruzzo. Le caratteristiche microstrutturali del calcestruzzo sono modellate nello studio computazionale sotto forma di un sistema a due materiali di particelle aggregate, immerse in una pasta di cemento indurita e tenendo conto della mencata congruenza tra i due constituenti elastici.     

Petite Histoire de L'experimentation en Mecanique des Solides

This short history of experiments in Solid Mechanics is written especially for my good friend Giulio Maier 'Dilecte Julius Magister praeclare tibi gratias agimus atque continuas magnas contributiones tuas mechanicae scientiae advocamus ad multos annos'. This is the reason why it is written in French, so beautifully spoken by him. It is divided into four parts. (1) Before the 16th century where no real methodology for experiments exists, the nice buildings which still remain are the result of previous successes and defeats. (2) From the 16th to the 19th centuries this is the birth and development of theoretical and experimental tools of the strength of materials. From Leonardo da Vinci to J. Baushinger or Wöhler, the concepts of stresses and strains are formulated and machines are invented to measure the mechanical characteristics of materials. (3) The 20th century where ultimate properties of materials such as plasticity, fracture, and damage are studied and used for safety purposes. (4) The end of the 20th century and the 21th (! ! !) is the time of numerical modelling which needs experiments at the microscale to take into consideration the real phenomena and at the macroscale to check the health of structures during their service. Sommario. Questa breve storia della sperimentazione in Meccanica dei Solidi è scritta in particolare per il mio caro amico Giulio Maier 'Dilecte Julius Magister praeclare tibi gratias agimus atque continuas magnas contributiones tuas mechanicae scientiae advocamus ad multos annos'. Per questa ragione il lavoro è scritto in francese, lingua da lui ben conosciuta. Questa nota è divisa in quattro parti. (1) Prima del 16° secolo, quando non esiste una vera metodologia sperimentale e il bell'edificio è il risultato di precedenti successi ed insuccessi. (2) dal 16° al 19° secolo ove si registra la nascita e lo sviluppo degli strumenti teorici e sperimentali per la scienza delle costruzioni. Da Leonardo da Vinci a J. Baushinger o Wöhler, vengono formulati i concetti di sforzo e deformazione e vengono inventate macchine per la misura delle caratteristiche meccaniche dei materiali. (3) Il 20° secolo, in cui le proprietà ultime dei materiali come la plasticità, la frattura ed il danneggiamento vengono studiate ed utilizzate per la verifica di sicurezza. (4) La fine del 20° secolo ed il 21°(!!!) secolo costituiscono il tempo della modellazione numerica che necessita da un lato di esperimenti condotti alla micro-scala al fine di poter considerare i fenomeni reali e dall'altro di esperimenti condotti alla macro-scala per verificare l'integrità delle strutture in condizioni di esercizio.     

On the relativistic thermodynamics of a continuous system in electromagnetic fields

Summary Whithout adopting a particular interaction between matter and fields, we deduce the relativistic equations of balance -for charged differential materials which move in electromagnetic fields. Successively, restriction for the relativistic constitutive equations are deduced by adopting a relativistic reduced dissipation inequality obtained from the 2nd principle of thermodynamics by P. M. Quan.

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Sommario Si determinano le equazioni relativistiche del bilancio per materiali differenziali carichi, con distribuzione continua di momento angolare interno, in moto in campi elettromagnetici senza ricorrere ad alcuna interazione particolare tra materia e campi. Successivamente si deducono delle restrizioni per le equazioni costitutive derivanti dall'imporre che esse rendano soddisfatta una diseguaglianza di dissipazione ridotta relativistica ottenuta dal2 ^o principio della termodinamica di P. M. Quan.

     

Dynamic shakedown theory allowing for second order geometric effects

Summary Two necessary and sufficient conditions for shakedown in a structure subjected to given histories of external loads and imposed strains, in the presence of significant inertia and damping effects, are established. Structural discretization and piecewise linearization of constitutive laws are adopted. This permits to consider several hardening materials and geometric effects, in the spirit of second order theory. The statements can be regarded as a generalization to a broader context of the classical Bleich-Melan and Koiter shakedown theorems. With respect to previous work, the main novelty is the simultaneous coverage of dynamic and second order effects.

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Sommario Si dimostrano due condizioni necessarie e sufficienti per l'adattamento in campo elastico di strutture soggette ad assegnate storie di carichi e distorsioni, in presenza di non trascurabili forze d'inerzia e di smorzamento. La discretizzazione della struttura e la linearizzazione a tratti del legame costitutivo consentono di considerare una larga classe di materiali incrudenti e gli effetti geometrici, nello spirito della teoria del second'ordine. Gli enunciati costituiscono una generalizzazione dei classici teoremi di Bleich-Melan e Koiter. A differenza di risultati precedenti, gli enunciati sono validi in presenza di concomitanti effetti dinamici e geometrici del second'ordine.

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Research sponsored by the (Italian) National Research Committee (CNR).