A mathematical model for an alloy solidification problem in the presence of an electric field

A one-dimensional mathematical model for a process of solidification of a binary alloy in the presence of an electric field is studied. A situation in which the thermal properties of each phase are different and the latent heat is non-zero is considered. A quasi-static approximation for the thermal and electric fields is used. Local existence and uniqueness of a classical solution to the resulting free boundary problem are proved for two kinds of boundary conditions. Moreover, under particular hypotheses, the monotonicity of the free boundary and the global existence of the solution is proved.

---

Sommario Si studia un modello matematico unidimensionale per un processo di solidificazione di una lega binaria in presenza di un campo elettrico. Si considera una situazione in cui le proprietà termiche di ogni fase sono differenti e il calore latente è non nullo. Si usa una approssimazione quasi-statica per i campi elettrico e termico. Si dimostra l'esistenza locale e l'unicità di una soluzione classica per il problema di frontiera libera risultante con due tipi di condizioni di bordo. Inoltre si dimostra, sotto particolari ipotesi, la monotonia della frontiera libera e l'esistenza di soluzione globale.

     

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.

---

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.

---

---

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

Coupling of elastic and plastic deformations of bulk solids

Summary In such solids like rocks, soils, ceramics, grain en masse the plastic deformation strongly aects the current unloading modulus. The consequences of this effect referred to as the elastoplastic coupling both to the elastic and the plastic part of the constitutive law are examined. Particularly, it appears that such phenomenon induces a specific kind of the non-normality in the plastic flow law. The departure from the normality is studied in connection with the form of the elastic modulus variation basing on the notion of a coupling potential.

---

Sommario Il modulo di scarico elastico di solidi come le rocce, i suoli, i materiali ceramici e granulari dipende dalla entità delle deformazioni plastiche. Le conseguenze di questo fenomeno, chiamato nel seguito accoppiamento elastoplastico, vengono esaminate sia in relazione alla parte elastica che alla parte plastica della legge costitutiva. In particolare si dimostra che l'accoppiamento elastoplastico determina la non-normalità della legge di scorrimento plastico. La deviazione della normalità legata alla variazione del modulo elastico è studiata per mezzo di un potenziale di accoppiamento derivato da quello elastico.

     

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.

---

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.

     

Vibrations of a viscoelastic rod with small non-linearities

Summary A partial differential equation is considered whose dominant linear term involves third order time derivatives and which contains a nonlinear term multiplied by a small parameter. The solutions of initial-boundary-value problems for the equation are investigated using an extension of the Krylov-Bogoliubov-Mitropolskii asymptotic method. The vibrations of a viscoelastic rod lead to an equation of the type considered when the material constitutive relation is that of a standard linear solid together with additional small nonlinearities of behaviour, and this particular physical problem is investigated in detail. It is shown that under appropriate initial conditions only a single mode of vibration is excited to lowest order, and some numerical results are given which illustrate the effects of the nonlinearity on these single mode solutions.

---

Sommario Viene considerata una equazione differenziale alle derivate parziali il cui termine lineare dominante implica derivate del terzo ordine del tempo e che contiene un termine non lineare moltiplicato per un parametro di piccola entità. Vengono studiate le soluzioni dell'equazione con le condizioni iniziali e al contorno usando una estensione del metodo asintotico di Krylov-Bogoliubov-Mitropolskii. Le vibrazioni in una sbarra viscoelastica portano ad una equazione del tipo considerato quando la soluzione costitutiva è quella di un normale solido lineare con l'aggiunta di piccole non-linearità di comportamento. Viene studiato nel dettaglio questo particolare problema fisico. Viene mostrato che, con appropriate condizioni iniziali, viene eccitato solo il primo modo di vibrare. Vengono inoltre forniti alcuni risultati numerici che illustrano gli effetti della non linearità per questo particolare modo.

     

On the formal structure of continuum mechanics Part I: Deformation theory

Summary The purpose of this and of following papers is to give an operator form to the equations of statics of continuous media in the case of small deformations (linear case) and of large deformations (non linear), aiming to obtain a unitary view of many known results in linear and nonlinear mechanics. In this paper an operator version of compatibility equations for large deformations, is given introducing a nonlinear operator that will be shown to be of the potential type. Some new results follow, namely a variational formulation of compatibility conditions extending a similar result obtained by the author in the small deformation theory. This formulation in three-dimensional space is similar to that of Einstein describing the gravitational field in space-time. An operational version of Bianchi's identities and a construction of boundary compatibility conditions are also given.

---

Sommario In questa nota e in altre che seguiranno ci si propone di dare una versione operatoriale delle equazioni della statica dei continui deformabili sia a piccole deformazioni (caso lineare) che a deformazioni finite (non lineare), al fine di ottenere una visione unitaria di molti risultati noti nella meccanica lineare e non lineare. In questa nota si dà forma operatoriale alle condizioni di congruenza per deformazioni finite, introducendo un operatore nonlineare che sarà mostrato essere di tipo potenziale. Di qui seguono alcuni risultati nuovi: la formulazione variazionale delle condizioni di compatibilità che estende un risultato precedente dell'autore nella teoria delle piccole deformazioni. Questa formulazione nello spazio geometrico tridimensionale è del tutto identica a quella di Einstein che descrive il campo gravitazionale nello spazio-tempo. Si da altresì interpretazione operazionale alle identità di Bianchi e una costruzione delle condizioni di congruenza al contorno.

---

---

This work has been supported by C.N.R.     

Limit analysis and design of structures having elements with random distribution of yield stresses,with associated and non-associated flow laws

Summary A generic structure is considered, made up of elements with rigid perfectly plastic standard material and random plasticity constant, however distributed around the average value. The limit load of structures having elements of average plasticity constant is shown to be greater than or equal to the average value of the limit loads of all the feasible structures, thus generalising a theorem [1] formulated for framed structures.The minimum volume of structures having elements of average plasticity constant is then shown to be less than or equal to the average value of the minimum volumes of all the feasible structures. Then the earlier theorems are extended to take in non standard materials.

---

Sommario Si considera una generica struttura composta da elementi di materiale rigido-plastico standard a costante di plasticità aleatoria e comunque distribuita attorno al valor medio.Si dimostra che il carico di collasso della struttura dotata di elementi a costante di plasticità media è maggiore o uguale al valor medio dei carichi limite di tutte le strutture possibili, generalizzando un teorema [1] formulato per le travature reticolari. Si dimostra poi che il minimo volume della struttura dotata di elementi a costante di plasticità media è minore o uguale al valor medio dei minimi volumi di tutte le strutture possibili. Si estendono quindi i teoremi precedenti al caso di materiali non standard.

---

---

This work has been sponsored by C.N.R. (the Italian Council of Research).     

Accurate solutions and stability criterion for periodic oscillations in hysteretic systems

Summary The study of the periodic response of hysteretic oscillators is reduced to that of nonlinear elastic oscillators by assuming an incremental formulation for the constitutive relationship. The harmonic balance method with many components allows for accurate periodic solution computation. The Floquet theory can be used to check stability. Developed equations are applied to the study of frequency response curves of a hysteretic oscillator that, although simple, shows both degrading and non degrading behaviour. The results reported clearly show the shortcomings of traditional methods; the influence of higher harmonics is far from negligible.

---

Sommario Nello studio della risposta periodica degli oscillatori isteretici si incontrano difficoltà dovute alla natura non olonoma del legame costitutivo. Nel presente lavoro queste difficoltà vengono superate in parte adottando una formulazione incrementale che riconduce il caso isteretico a quello elastico non lineare seppure al prezzo di un allargamento dello spazio delle variabili di stato. Le soluzioni periodiche sono determinate seguendo il metodo del bilancio armonico con molte componenti; la stabilità viene analizzata con la teoria di Floquet. Le equazioni sviluppate sono utilizzate per determinare le curve di risposta in frequenza sotto una forzante sinusoidale, di un oscillatore che, benchè semplice, presenta una notevole varietà di comportamento. I risultati ottenuti mostrano chiaramente le lacune dei metodi tradizionali; l'influenza delle armoniche superiori in molti casi è ben lungi dall'essere trascurabile.

     

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.

---

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.

     

Cooling tower analysis by a finite element technique based on a modified hamilton's principle

Summary The present paper consists of a theorethical and a numerical part. The purpose of the former is the derivation of total as well as incremental equations of motion for general nonlinear dynamic analysis of thin shells by the Finite Element Method. A modification of Hamilton's principle, permitting consideration of nonconservative internal and external forces, serves as the vehicle to meet this goal. Special features of the derivation are: (a) consideration of follower loads acting normally to the shell throughout the deformation history and (b) the use of Lagrangian multipliers in order to satisfy originally relaxed interelement continuity conditions.In the numerical part of this paper the theorethical concept is applied to the analysis of cooling-tower shells. The numerical investigation covers solution of the quasistatic stress problem and determination of quasistatic buckling wind pressures for a cooling tower shell subjected to wind load as well as earthquake response analysis for another one. A novel scheme for static condensation of massless degrees of freedom is found to permit an effective solution of the eigenproblem, required as a prerequisite to obtain the earthquake response.

---

Sommario IL presente lavoro consiste di una parte teorica ed una numerica. Loscopo della prima è la derivazione delle equazioni di moto, sia totali che incrementali, per una generale analisi non lineare dinamica di gusci sottili per mezzo del metodo degli elementi finiti. Una modifica del principio di Hamilton, che permette di considerare forze interne ed esterne non conservative, serve come veicolo per raggiungere questo obiettivo. Aspetti particolari di questa derivazione sono: (a) la considerazione di forze che si mantengono normali alla superficie del guscio durante la sua deformazione; (b) l'uso di moltiplicatori di Lagrange per soddisfare alle condizioni di continuità tra elementi contigui, non imposte «a priori».Nella parte numerica, la formazione teorica è applicata all'analisi di torri di raffreddamento ad iperboloide. Per una torre soggetta a carico di vento vengono determinate, in regime quasistatico, lo stato di sollecitazione ed il valore critico della pressione. Viene poi analizzata la risposta ad azione sismiche mediante un nuovo algoritmo per la condensazione statica dei gradi di libertà non affetti da masse concentrate e per la successiva soluzione del problema degli autovalori.

     

Separability structures corresponding to conservative dynamical systems

Summary We discuss a method of integration of the Hamilton-Jacobi equation corresponding to a quadratic Hamiltonian with a potential function and satisfying the Levi-Civita separability conditions.We prove the existence of suitable coordinates (called normal separable coordinates) by direct construction and we establish the general form of the Hamilton-Jacobi equation in such coordinates.

---

Sommario Si presenta un metodo di integrazione delle equazioni di Hamilton-Jacobi che corrispondono ad una hamiltoniana quadratica con potenziale e che soddisfano le condizioni di separabilità secondo Levi-Civita.Si dimostra in modo costruttivo l'esistenza di opportuni sistemi di coordinate (dette coordinate separabili normali) e si determina la forma generale dell'equazione di Hamilton-Jacobi in tali coordinate.

     

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.

---

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.

---

---

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

A free boundary problem arising in oil production

For a stable two-phase free boundary problem arising in oil production, we prove the existence of a weak solution and the continuity of the free boundary.

---

Sommario Si prova un teorema di esistenza di una soluzione debole per un problema stazionario a contorno libero a due fasi che interessa la produzione di petrolio. Si dimostra inoltre la continuità del contorno libero.

     

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.

---

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.

     

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.

---

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.

     

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.

---

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.

     

An efficient method for solving free-boundary diffusion problems

Summary A new method is introduced for solving free-boundary problems for the heat equation. The method is shown to be uniformly convergent both for first type and nonlinear second type boundary conditions. Approximate solutions are obtained by discretization of the time variable and recursive solution at each time step of classical heat conduction linear problems in slabs of known thickness. An error estimate is given. Numerical tests are presented in a few cases in which exact solutions are known.

---

Sommario Si introduce un nuovo metodo per la soluzione di problemi a contorno libero per l'equazione del calore. Si dimostra la convergenza uniforme del metodo sia per condizioni al contorno del primo tipo che per condizioni al contorno del secondo tipo non lineari. Le soluzioni approssimate sono ottenute discretizzando la variabile temporale e risolvendo ricorsivamente ad ogni passo un classico problema lineare di conduzione in uno strato di spessore noto. E' data una stima dell'errore. Per alcuni casi nei quali è nota la soluzione esatta sono presentate prove numeriche.

     

On the Prigogine theory of traffic flow: Driver's program independent of concentration

Summary The Prigogine kinetic equation for traffic flow is considered. It is shown that the relaxation term, whose actual form was introduced by Prigogine for reasons of mathematical simplicity, can be derived from two «structural» assumptions. This procedure shows that the relaxation term is effectively able to account for the time spent in a queue by the vehicles. Since the factorization of the desired velocity distribution is uncompatible with the assumption that the program of each driver is independent of the local concentration, a modification of the Prigogine theory was recently introduced by Paveri Fontana replacing the relaxation term by a new term. We prove that the Paveri term implies a vanishing queueing time. We show also that the assumption of an invariant driver's program can be taken into account without introducing the factorization of the desired velocity distribution with no modification of the basic assumptions of the Prigogine model.

---

Sommario Si considera l'equazione cinetica del traffico di Prigogine. Si dimostra che il termine di rilassamento, la cui forma fu introdotta da Prigogine per ragioni di semplicità matematica, si può ricavare da due ipotesi «strutturali». Si dimostra cosi che il termine di rilassamento tiene conto del tempo trascorso in coda dal veicolo. Poichè la fattorizzazione della distribuzione della velocità desiderata è incompatibile con l'ipotesi che il programma di ciascun guidatore sia indipendente dalla concentrazione locale, Paveri Fontana introdusse una modificazione della teoria di Prigogine sostituendo il termine di rilassamento con un nuovo termine. Si dimostra che il termine di Paveri implica un tempo di residenza in coda nullo. Si dimostra anche che l'ipotesi di programma invariante si può tenere in conto senza introdurre la fattorizzazione della distribuzione della velocità desiderata e senza modificare le ipotesi fondamentali del modello di Prigogine.

---

---

This work was supported by the Italian Consiglio Nazionale delle Ricerche, under a research contract of the Mathematical Committee.     

Stability and synthetic damping of a third order control system affected by backlash viscous and coulomb friction

Summary A Control System for a resonant mechanical loads affected by backlash and Coulomb friction may encounter severe stability problems if load feedback is used.The stability condition for a simple system including the above effects and a pure integration in the forward path is first determined, based upon natural damping only.Some damping augmentation techniques useful for improving the stability conditions are then evaluated both theoretically and by analog simulation means; the need for Coulomb friction to damp small amplitude oscillations is also demonstrated.The study is particularly devoted to accurate positioning control systems where load feedback has to be used to compensate for backlash errors.

---

Sommario In un servosistema con carico risonante soggetto a giochi ed attrito Coulombiano possono sorgere notevoli problemi di stabilità nel caso che il segnale di retroazione venga prelevato sul carico.Lo studio determina, nella prima parte, le condizioni di stabilità per un sistema con integrazione semplice sulla catena diretta, soggetto simultaneamente a tutte le condizioni di cui sopra: in tali termini non risulta dalla letteratura (ampiamente esaminata) che il problema sia stato affrontato da altri Autori.Successivamente vengono esaminati taluni metodi, di cui uno originale, che consentono di migliorare le condizioni di stabilità e quindi le prestazioni del sistema: lo studio teorico è confermato da un'ampia serie di simulazioni mediante calcolatore analogico.Viene inoltre dimostrata la necessità di un valore relativamente modesto dell'attrito Coulombiano per lo smorzamento delle piccole oscillazioni.Lo studio è dedicato particolarmente a quei sistemi di posizionamento automatico nei quali si impiega la retroazione sul carico ai fini della compensazione degli errori dovuti ai giochi.

     

A note on the Cauchy relations

The Cauchy relations originated in the context of the molecular theory of elasticity. Assuming them implies a reduction of the independent elastic constants which characterize the constitutive tensor in the linear anisotropic case. This paper brings to light a property of the elastic tensor through its decomposition into a symmetric part and into a skew part in the 2nd and 3rd indices. The skew part, which vanishes if and only if the Cauchy relations hold, is connected with a self-equilibrated stress field. The isotropic case is examined as a particular example.

---

Sommario Le relazioni di Cauchy ebbero origine nell'ambito della teoria molecolare dell'elasticità; la loro assunzione implica una riduzione delle costanti elastiche indipendenti che caratterizzano il tensore costitutivo nel caso anisotropo lineare. In questa breve nota si mette in luce una proprietà del tensore elastico attraverso la sua decomposizione in una parte simmetrica ed in una antisimmetrica nel 2° e 3° indice: la parte antisimmetrica, che risulta nulla se e solo se valgono le relazioni di Cauchy, è associata ad un campo di tensioni autoequilibrate. Si analizza, come caso particolare, il caso isotropo.