On a stability condition for elastic plastic structures

Summary The paper considers discrete or discretized elastic-plastic structures subjected to conservative external forces and given imposed strains. Material flow laws are assumed to be associated; the plasticity condition and the hardening rule are piecewise linearized.For a given equilibrium configuration of such systems, a necessary and sufficient condition for the positivity of second order plastic work is proved. It is shown that this work is positive if and only if a certain matrix is positive definite. Connections with the kinematic stability of the configuration are discussed.The interest of the statement is two-fold. Firstly it provides a deeper understanding on the assumptions on which some techniques for elastic-plastic analysis are based. Secondly, it leads to operative procedures for stability analysis which may prove efficient in some cases, as it is illustrated with reference to the evaluation of the collapse load for elastic-perfectly plastic frames in the presence of second order geometrical effects.

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Sommario Si considerano strutture elasto-plastiche discrete e discretizzate, soggette a carichi esterni di tipo conservativo e a distorsioni assegnate. Si suppone che il legame costitutivo del materiale sia associato e la condizione di plasticità e le leggi di incrudimento vengano linearizzate a tratti.Per un'assegnata configurazione di equilibrio di un sistema di questo tipo, si dimostra una condizione necessaria e sufficiente per la positività del lavoro plastico del second'ordine; si mostra che esso è positivo se e solo se una certa matrice risulta positiva definita. Le implicazioni di questo evento con la stabilità della configurazione sono brevemente discusse.L'asserto dimostrato ha un duplice interesse. In primo luogo approfondisce il significato di alcune ipotesi alla base di certe tecniche numeriche per l'analisi elasto-plastica; in secondo luogo porta a procedimenti operativi per l'analisi della stabilità che possono rivelarsi utili in alcuni casi, come è illustrato con riferimento alla determinazione del carico di collasso di telai elasto-plastici in presenza di effetti del II ordine.

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Research sponsored by the C.N.R.     

Uniqueness of the concentrated-load problem in the linear theory of couple-stress elasticity

Summary It is pointed out that there exist at least two different solutions of the problem of concentrated loads in the two-dimensional, linear couple-stress theory when the formulation is based on the usual uniqueness theorem. An extension of this uniqueness theorem is proved. A set of conditions sufficient for uniqueness is found and is used in a formulation of the concentrated load problem which results in a unique solution. The significant new condition is that the order of the stress singularity is limited to O(r^–1), where r is the distance from the concentrated load.

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Sommario Si fa notare che esistono almeno due soluzioni diverse del problema dei carichi concentrati nella teoria lineare, a due dimensioni, delle coppie di volume quando la formulazione è basata sul teorema di unicità.Si dimostra una estensione di questo teorema di unicità. Si trova un gruppo di condizioni sufficienti per l'unicità; queste condizioni vengono usate nella formulazione del problema del carico concentrato che dà luogo ad un'unica soluzione.La nuova condizione significativa è che l'ordine della singolarità dello sforzo è limitato a O(r^–1), dove r è la distanza dal carico concentrato.

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This work is a result of research sponsored by the Office of Naval Research, U.S. Navy, under Contract Nonr-610(06).     

On the Ljapunov stability of a system with known first integrals

Summary The differential equations of the perturbed motion with known independent first integrals are considered, and it is shown that a sufficient condition for the stability of the imperturbed motion of the complete system is given by the total stability of the corresponding solution of a certain reduced system, of lower rank. This theorem finds an interesting application in the study of the stability of the merostatic motions of a holonomic system with ignorable coordinates and acted upon by dissipative forces.

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Sommario Si considerano sistemi di equazioni differenziali del moto perturbato per i quali siano noti alcuni integrali primi indipendenti, e si dimostra che una condizione sufficiente per la stabilità del moto non perturbato del sistema completo è data dalla stabilità totale della corrispondente soluzione di un certo sistema ridotto, di rango inferiore. Questo teorema trova una significativa applicazione nello studio della stabilità dei moti merostatici di un sistema olonomo con coordinate ignorabili e soggetto a sollecitazioni dissipative.

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Research supported by the Gruppo di Ricerca No. 7 of the C. N. R.     

Minimum-volume plastic design of beams for movable loads

Summary Minimum-weight designs of a perfectly plastic continuous sandwich beam with two equal spans are obtained analytically for a variety of movable loads, on the basis of the condition of constant integrated specific dissipation rate.

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Sommario Mediante la condizione di costanza dell'integrale della velocità di dissipazione specifica si decudono per via analitica e per una varietà di carichi mobili, progetti di minimo peso di una trave continua a due luci uguali perfettamente plastica e di tipo sandwich.

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Text of a lecture given by the senior author at the Politecnico di Milano and at the Facoltà di Ingegneria dell'Università di Roma in May 1970.     

Transonic swirling flow in axisymmetric nozzles

Summary The transonic flow in axisymmetric choked nozzles is computed in the case of a radial distribution of tangential velocity. The flow configuration is obtained by means of a time-dependent technique. The swirling flow is achieved through a particular surface located at the inlet of the nozzle. The pressure distribution and the sonic line are presented for choked flows without or with swirling.

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Sommario Viene calcolato il flusso transonico in ugelli assialsimmetrici in condizione critica, nel caso di distribuzione radiale di velocità tangenziale.La soluzione è ottenuta numericamente tramite una tecnica instazionaria. Il flusso vorticoso viene creato attraverso una opportuna superficie all'ingresso dell'ugello. Vengono presentati i campi di pressione e la posizione della linea sonica per flussi critici, con e senza vortice.

     

The stability boundary of systems with one degree of freedom (Part I)

Summary It is shown that the stability boundary of a one-degree-of-freedom conservative structural system cannot have convexity towards the region of instability. An example illustrating the essential features of the theory is discussed. The results of two experiments providing qualitative verification of the theory are reported.

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Sommario Si dimostra che il dominio di stabilità di un sistema conservativo ad un grado di libertà è convesso. Si discute un esempio che illustra gli aspetti essenziali della teoria svolta. Si presentano i risultati di due esperienze che forniscono una verifica qualitativa dei risultati teorici.

     

A short note on shear bands as characteristics

Summary This short note shows that a possible bifurcation of the response of a homogeneous sample as a shear band inception may be seen as a condition of parabolicity of a fourth order differential equation.

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Sommario In questa breve nota si mostra come l'insorgere di una possibile biforcazione sotto forma di banda di taglio in un campione omogeneo, uniformemente sollecitato, possa essere vista come una condizione di parabolicità di un'equazione differenziale del quarto ordine.

     

The Kuhn-Tucker relations as variationality testing conditions for unilaterally-constrained extremum problems

Summary To each unilaterally constrained quadratic extremum operational problem may be associated an integrability or variationality condition which follows from the corresponding Lagrangian functional. The variationality test for the admissible solution is satisfied if, and only if, the corresponding Kuhn-Tucker relations are met.If such is the case, the posed problem allows for a variational formulation with respect to the only admissible solutions.

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Sommario Si dimostra che a ciascun problema operazionale quadratico di minimo, a vincoli unilateri o bilateri, può associarsi una condizione di integrabilità derivabile dalla corrispondente lagrangiana.Il test di integrabilità della soluzione ammissibile è soddisfatta se e solo se, in condizioni di continuità e differenziabilità della lagrangiana, sono soddisfatte le condizioni di Kuhn-Tucker. Se questo è il caso, il posto problema ammette formulazione variazionale rispetto alle sole soluzioni ammissibili dell'associata formulazione programmatica primale-duale.

     

A note on non linear stability of the Poiseuille flows in anisotropic M.H.D.

Summary We study the non linear stability of the Poiseuille flows in anisotropic M.H.D. and we give a sufficient condition of exponential asymptotic stability with respect to laminar onedimensional perturbations.

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Sommario Si studia la stabilità non lineare in media dei moti di Poiseuille in M.H.D. anisotropa e si assegna una condizione sufficiente di stabilità asintotica esponenziale.

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Work performed under the auspices of the G.N.F.M.-C.N.R. and with the grant 40%-M.P.I. (Italy).     

On the stability of one-dimensional continuous systems with polygenic forces

Summary Using the energy theorem for polygenic systems, it is shown that polygenic systems of the divergence type are pseudoconservative. Hence, their Hamiltonian can be used as a Liapunov functional to investigate the stability of such systems. Furthermore, for polygenic divergence type systems, the eigenvalue curve is strictly monotonic and its first branch is always to the right of the first branch of the corresponding conservative system's eigenvalue curve. Hence, the first critical load of the corresponding conservative system is a lower bound for the first critical load of the polygenic divergence type system.

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Sommario Attraverso il teorema energetico dei sistemi poligenici, si mostra che i sistemi poligenici di tipo divergenza sono pseudo-conservativi e quindi che il loro Hamiltoniano può essere usato come un funzionale alla Liapunov per studiare la stabilità di tali sistemi. Si mostra inoltre, sempre per i sistemi poligenici di tipo divergenza, che la curva degli autovalori è strettamente monotona e che il suo primo ramo è sempre alla destra del primo ramo della curva degli autovalori del corrispondente sistema conservativo. Dunque il primo carico critico del corrispondente sistema conservativo è un limite inferiore per il carico critico del sistema poligenico di tipo divergenza.

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This research was carried out under NRC Grant No. A. 7297.     

A rationally based yield criterion for work hardening materials

Summary The paper is concerned with the development of a rationally based yield criterion for work hardening materials. In an attempt to construct a single analytical function to represent yield behaviour the mathematics of continuum mechanics is combined with a statistical argument to produce a yield criterion which takes into account the inherent inhomogeneity of stress and strain distribution throughout a polycrystalline aggregate.A mathematical model is proposed which consists of spherical, anisotropic inclusions embedded in an elastic-plastic matrix. The yield criterion derived from this model is based on three main considerations, (a) arguments involving the local value of shear strain energy density, (b) Eshelby's solution for the local stress acting on a spherical inclusion in an infinite matrix and (c) the statistics of extreme values.An example is given on the fitting of the yield criterion to the results of thin-walled aluminium tubes prestrained in tensiontorsion space.

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Sommario Si considera lo sviluppo di una razionale condizione di plasticità per materiali con incrudimento. Nel tentativo di costruire una sola funzione analitica per rappresentare il comportamento plastico del materiale, la matematica della meccanica dei continui è combinata con considerazioni statiche onde definire una condizione di plasticità che tenga conto dell'implicita inomogeneità nella distribuzione di sforzi e deformazioni in un aggregato policristallino.Si propone un modello matematico che prende in considerazione inclusioni sferiche anisotrope avvolta da materiale elastoplastico. La condizione di plasticità derivata da questo modello è basata su tre considerazioni principali, (a) argomenti che involvono il valore locale della densità di energia di deformazione al taglio, (b) la soluzione di Eshelby per lo sforzo locale che agisce su ogni inclusione sferica in una matrice infinita e (c) la statistica dei valori estremi.Si dà un esempio sulla capacità del criterio di plasticità di interpretare i risultati ottenuti su tubi di alluminio sottile precaricato nello spazio tensione-torsione.

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Bilateral bounds for structures under dynamic shakedown conditions

Bounds to functions of the plastic strains produced during the elastic-plastic stage of a dynamic loading process leading to shakedown can be constructed on the basis of the solution of a single, static, holonomic elastic-plastic problem. This bounding procedure is described in detail with respect to the case of periodic external loading, and the generalization to an arbitrary dynamic loading condition is provided. Simple examples illustrate the bounding effectiveness of the proposed technique.

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sommario Si mostra come sia possibile produrre delimitazioni di funzioni delle deformazioni plastiche che avvengono durante la fase iniziale di un processo dinamico che si concluda con l'adattamento in regime elastico (shakedown). Si illustra in dettaglio la procedure di delimitazione con riferimento al caso di carichi esterni periodici, e si fornisce l'estensione concettuale al caso di una condizione di carico generica. Due esempi numerici mostrano l'accuratezza e l'efficienza numerica della tecnica proposta.

     

Continuation of the solution of a free boundary problem in cylindrical symmetry

Summary We perform an a priori analysis of the behavior of the solution to a Stefan type free boundary problem in cylindrical symmetry, in arbitrarily large time intervals; a nonlinear flux condition is prescribed on the fixed boundary, for t>0.Next we find some relations between the occurrence of each possible case and the behavior of the initial datum, assuming that the flux is null on the fixed boundary for t>0.

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Sommario Si esegue un'analisi a priori del comportamento, in intervalli di tempo arbitrariamente grandi, della soluzione di un problema a frontiera libera del tipo di Stefan in simmetria cilindrica; sulla frontiera fissa, per t>0, è stabilita una condizione di flusso non lineare.Si trovano quindi relazioni tra i vari casi possibili e il comportamento del dato iniziale, sotto l'ulteriore ipotesi che il flusso sulla frontiera fissa, per t>0, sia nullo.

     

Lower bounds for the critical loads of elastic bodies

Summary We discuss briefly a sufficient condition for hadamard stability, proposed by Holden and applied by the same Author to the evaluation of lower bounds for the critical load of elastic bodies subject to a prescribed deformation process.A refinement of the method leads to an improved condition of stability, which is also more simple in form. When applied to a body in simple compression, the new condition yields the same estimate of the critical load as Holden's condition, whereas a substantial improvement is found in the case of simple extension.

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Riassunto Si discute brevemente una condizione sufficiente per la stabilità secondo Hadamard, proposta da Holden e dallo stesso applicata alla delimitazione inferiore del carico critico di un corpo elastico soggetto a un processo deformativo preassegnato.Viene successivamente dedotta una condizione sufficiente più semplice e, nello stesso tempo, più larga della precedente. Nel caso di un corpo soggetto a compressione uniforme, essa dà una stima del carico critico coincidente con quella di Holden, mentre, nel caso di trazione uniforme, dà luogo ad una stima nettamente migliore.

     

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 plastic dynamic flexure of plates

Summary This paper discusses the rigid-plastic flexure of plates subjected to dynamic loading. A piecewise linear yield surface and small displacements are assumed. The plate is discretized by assuming the constant moment mixed triangular element of Herrmann. Under the above assumptions the dynamic loading of plates is turned into a problem in linear inequalities which is a priori discretized in time. An approximate technique is developed, which takes into account the influence of the strain-hardening and the strain rate sensitivity of material. Some numerical examples of plates subjected to a given velocity distribution confirm the efficiency of this approach.

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Sommario Si analizza il problema della flessione rigidoplastica di una lastra soggetta a carichi dinamici. La lastra viene discretizzata assumendo l'elemento triangolare misto a stato di sollecitazione costante di Herrmann. Tale assunzione insieme alle ipotesi di piccoli spostamenti e di superficie di plasticizzazione lineare a tratti, consente di ricondurre il caricamento dinamico della lastra ad un problema retto da diseguaglianze lineari, che risulta discretizzato a priori nel tempo. Attraverso una tecnica approssimata si valuta l'influenza che hanno sulla risposta dinamica della struttura, l'incrudimento e la sensibilità alle velocità di deformazione del materiale. L'efficienza del procedimento è verificata attraverso alcuni esempi numerici di lastre di diversa geometria sottoposte ad una prefissata distribuzione di velocità.

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Research supported by the National Research Council (C.N.R.P.A.d.I.S.) of Italy.     

On the global solutions to two-phase nonequilibrium problems

In this paper, we consider a Stefan-like problem with a kinetic condition on the free boundary, i.e. a two-phase nonequilibrium problem in one dimension, and prove that it has a unique classical and global solution under some conditions. We also investigate the travelling wave solutions.

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Sommario In questo lavoro si considera un problema tipo Stefan con una condizione cinetica sul bordo libero, cioc' un problema di non equilibrio a due fasi in una dimensione. Si dimostra che, sotto opportune condizioni, il problema ammette una unica soluzione globale di tipo classico. Sono altresi' analizate soluzioni ad onde viaggianti.

     

A double Hopf bifurcation phenomenon

Summary A degenerate dynamic bifurcation phenomenon exhibited by autonomous systems is analyzed in detail. The situation arises when a key coefficient vanishes at a critical point where Hopf's transversality condition is also violated simultaneously. It is demostrated analytically that, unlike the phenomenon of Hopf bifurcation, in this case the existence of bifurcating family of limit cycles cannot be guaranteed. Indeed, an existence condition emerges as an integral part of the analysis. Under this existence condition, several topologically distinct phenomena may arise, and the conditions giving rise to such cases are discussed. the asymptotic equations of the bifurcating paths, the family of limit cycles and frequency-amplitude relationships are given in general, explicitforms which can be used in the analyses of specific problems directly.

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Sommario Il lavoro analizza in dettaglio un fenomeno di biforcazione dinamica degenere che si presenta in sistemi autonomi. La situazione sorge quando un coefficiente si annulla in un punto critico dove viene anche simultaneamente violata la condizione di trasversalità di Hopf. Si dimostra analiticamente che, a differenza del fenomeno di biforcazione alla Hopf, in questo caso l'esistenza di una famiglia biforcante di cicli-limite non può essere assicurata; infatti una condizione di esistenza emerge come parte integrante dell'analisi. Sotto tale condizione possono sorgere diversi fenomeni topologicamente distinti; si discutono le condizioni che danno luogo a questi casi. Le equazioni asintotiche degli itinerari di biforcazione, la famiglia di ciclilimite e le relazioni frequenza-ampiezza vengono fornite in forme generalied espliciteche possono essere usate direttamente nelle analisi di problemi specifici.

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The financial support of NSERC of Canada is acknowledged. A part of this paper was presented at 1984 IEEE Int. Sym. on Circuits and Systems, Montreal, Canada [1].     

On the phase transitions in fluid mixtures

Summary The integral equations of balance for a binary fluid mixture are stated when the mixture presents two phases which are separated by an interface. The equilibrium conditions are derived together with the Gibbs phase rule for plane interfaces. The theory is extended to the mixture with three phases.

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Sommario Si scrivono le equazioni integrali del bilancio per una miscela fluida binaria che una interfaccia separa dalla miscela del suo vapore. Si derivano le condizioni di equilibrio e, nel caso di interfaccia piana, la regola delle fasi di Gibbs. La teoria proposta è poi estesa a sistemi di miscela binaria con tre fasi.

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This paper is made under the auspices of G.N.F.M. of the Italian C.N.R.     

Constitutive equation and compatibility of the external loads for linear elastic masonry-like materials

Summary The first part of the paper is devoted to the motivation of the constitutive equation of the masonry-like material. It is proved that this equation is the result of three fundamental constitutive assumptions: infinitesimal elasticity, no tensile strength, and a postulate of normality. A necessary and sufficient condition for the existence of a strain energy function is also supplied.In the second part are examined some necessary conditions for equilibrium in the absence of tensile strength. As a consequence of them it is shown that, under some particular loads, a body can be decomposed into separate, self-equilibrated subbodies. This property, which has no counterpart in ordinary elastic bodies, is used to explain some peculiar behaviours of masonry structures.

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Sommario La prima parte del lavoro è dedicata alla ricerca di una soddisfacente motivazione dell'equazione costitutiva comunemente usata per i solidi murari. Si dimostra che essa è il risultato di tre ipotesi costitutive: elasticità infinitesima, non resistenza a trazione, e un postulato di normalità. Viene inoltre data una condizione necessaria e sufficiente per l'esistenza di una energia di deformazione. Nella seconda parte si esaminano alcune condizioni necessarie per l'equilibrio, in assenza di resistenza a trazione. Si dimostra che, sotto particolari condizioni di carico, un corpo continuo può essere decomposto in sottocorpi autoequilibrati. Questa proprietà, che non trova riscontro negli ordinari solidi elastici, spiega alcuni comportamenti tipici dei materiali non resistenti a trazione.