Bui's path-independent integral in finite elasticity

A path-independent integral has been stated by Bui in the presence of a straight crack in a two-dimensional deformation field. Such an integral isdual to the Rice integral in the sense that it is based on the complementary stress energy density. Here we establish a boundary-independent integral in finite elasticity from which Bui's result follows as a particular case.

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Sommario Un integrale indipendente dal cammino intorno al vertice di una frattura in un campo di deformazione bi-dimensionale è stato stabilito da Bui. Tale integrale èduale all'integrale di Rice, nel senso che si basa sulla densità di energia complementare o degli sforzi. Qui si propone un integrale invariante in un continuo tridimensionale soggetto a deformazioni finite. Si mostra che il risultato di Bui segue come caseo particolare.

     

Biaxial stress effects on the elastic-plastic crack-tip displacement fields

Summary A plane stress, finite element analysis of the monotonic loading of a Mode I stationary crack under small scale yielding using a boundary layer approach is presented. A small-strain,J ₂ plasticity theory is used in conjunction with a linear hardening material model. The effects due to the inclusion of the non-singular elastic T-stress in the asymptotic boundary conditions on the elastic-plastic fields near the tip are investigated. This parameter, which accounts for the inherent biaxial stress state at a crack tip, is found to control extension and state of deformation of the plastic zone. The full-field numerical solutions are also used to simulate moirè interferometric fringe patterns in order to assess earlier detailed experimental observations.

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Sommario Viene presentato uno studio agli elementi finiti con un approccio allo strato limite del caricamento monotono seconda il Modo I di una fessura stazionaria in condizioni di stato di tensione piana e plasticità contenuta. Viene esaminata in particolare l'influenza che la componente tensionale elastica trasversale nonsingolare (i.e. T-stress) delle condizioni al contorno ha sullo stato di sollecitazione elasto-plastica all'apice della fessura. Si osserva che questo parametro dello stato di biassialità all'apice di fessure controlla sia l'estensione della zona plastica che lo stato deformativo al suo interno. Le soluzioni numeriche vengono inoltre impiegate per simulare sistemi di frange moirè interferometriche fornendo così un utile strumento di confronto con precedenti risultati sperimentali.

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Portions of this paper are included in the Proceedings of 9.th Congress of AIMETA, Bari, 1988.     

On a path-independent integral approach to fast tearing of elastomers

Summary The feasibility of a path-independent integral approach to fracture mechanics of elastomers and the objectivity of the pertinent crack stability criterion are discussed with reference to tearing with negligible mechanical dissipations.

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Sommario In questo articolo si discutono le possibilità offerte dall'impiego dell'integrale J e del relativo criterio di stabilità della cricca nello studio della frattura veloce di materiali elastomerici.

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List of symbols and abbreviations F Deformation gradient. - Feled Finite Element for Large Elastic Deformations. - T Strain energy release per unit crack growth (termedG in fracture mechanics of metals). - T _l First Piola-Kirchhoff stress tensor. - u Displacement vector. - W Stored energy function per unit of volume in the undeformed configuration. - x Spatial co-ordinates. - X Material co-ordinates.     

Nonasymptotic solution for antiplane cracks

The nonasymptotic stress and displacement fields, in other words, those valid for points far from the crack tip, are determined for cracks under antiplane strain condition. The solution of the problem is obtained by using the Mellin transform and the calculus of residues. Finally, the stress distribution along the crack plane is compared with that provided by the classic asymptotic solution.

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Sommario Per fessure in condizione di deformazione antipiana si calcolano i campi di spostamento e di tensione non asintotici, validi cioè anche per punti distanti dall'apice della fessura. La soluzione del problema è ottenuta impiegando la trasformata di Mellin e la teoria dei residui. Infine, la distribuzione di tensione lungo il piano della fessura viene confrontata con quella fornita dalla soluzione classica asintotica.

     

Energy dissipation due to frictional shake-down on a closed crack subjected to shear

The behaviour of a horizontal crack, subjected to cyclic shear and normal compressive stresses, is investigated with the aim of studying the shake-down and alternating plasticity phenomena. The analysis is carried out by means of the displacement discontinuity numerical method, conveniently modified so as to simulate the development of frictional stresses on the crack surfaces. The assumptions that the crack does not propagate and that the material behaves elastically are made. The critical values of the physical and geometrical parameters which determine the occurrence of frictional shake-down or alternating plasticity are identified. An evaluation of the amount of energy dissipated because of alternating plasticity is also provided.

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Sommario Nel presente articolo viene esaminato il comportamento di una fessura orizzontale soggetta a taglio ciclico e a sforzo normale di compressione. L'analisi è condotta mediante il metodo della Discontinuità di Spostamento, opportunamente modificato in modo da simulare lo sviluppo di sforzi di attrito sulle superfici della fessura. Vengono ricavati i valori critici dei parametri fisici e geometrici che determinano la comparsa del fenomeno dello shake-down. Viene infine valutata la quantità di energia dissipata in ogni ciclo di applicazione del taglio.

     

A crack along a circular interface between dissimilar media

Summary The plane problem dealing with an arc crack along the interface of a circular elastic inclusion and an unbounded different elastic medium is theoretically studied. The closed form solutions of the stresses and displacements along the contour are derived under general biaxial stresses at infinity. The stress field near the crack tip is evaluated and the presence of non-singular terms is pointed out to infer their effects on the quantities predicted by local fracture criteria. An overall stress intensity factor connected with the rate of strain energy release is also introduced to obtain crack growth information on the interface.

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Sommario Viene studiato teoricamente il problema piano di una fessura all'interfaccia tra un inclusione circolare elastica ed un mezzo con proprietà elastiche diverse. Vengono ricavate le espressioni degli sforzi e degli spostamenti sul contorno in regine di carico biassiale e rilevata l'importanza dei termini non singolari, che compaiono nelle espressioni dei campi locali degli sforzi, in vista dell'applicazione dei criteri locali di frat tura. Viene inoltre definito un fattore globale di intensità degli sforzi, connesso con il rilascio di energia di deformazione, mediante il quale si possono ottenere informazioni sulla propagazione della fessura all'interfaccia.

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Financial support of the National Research Council (C.N.R.) through research contribution n. 80.02203.07.     

Some qualitative aspects in structural stability

Summary Certain ideas of Ericksen[1] on connections between symmetry and stability are exemplified and developed in detail, taking as a starting point the equilibrium analysis of an elementary structure.

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Sommario Alcune idee di Ericksen[1] circa le connessioni tra simmetria e stabilità sono illustrate e sviluppate in dettaglio sulla base dell'analisi di equilibrio di un semplice schema strutturale.

     

Elastic wave interaction with a cracked quarter-plane

Summary The elastodynamic interaction between explosively generated body and surface wave and an edge crack in a quarter-plane is investigated. Dynamic photoelasticity was employed to obtain full-field information for data analysis. Measurements of the stress distribution along the free boundaries of the quarter-plane and along the crack walls have been made. Stress intensity distributions at both, the corner and the flaw tip and surface stress distributions for the diffracted and reflected Rayleigh-waves were obtained in the region near the cracked corner.

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Sommario Si studia l’interazione elastodinamica tra onde di volume e di superficie ed una fessura su un bordo in un quarto di piano. Si è fatto uso della fotoelasticità dinamica per ottenere un’informazione completa sull’analisi dei dati. Si sono effettuate misure della distribuzione di sforzo lungo i contorni liberi del quarto di piano ed i contorni della fenditura. Si sono ottenute le distribuzioni d’intensità di sforzo sia nell’angolo che nell’estremità difettosa e le distribuzioni superficiali di sforzo per le onde di Rayleigh diffratte e riflesse nella regione dell’angolo crepato.

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Simultaneous collisions of particles: Generalization of a theorem by Sundman

Summary According to Sundman, a simultaneous collision of all the particles of a system of gravitating masspoints is possible only if the total angular momentum of the system vanishes. It is shown that this proposition isnot characteristic for gravitation, but rather holds for a wide class of central forces.

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Sommario Secondo Sundman una collisione simultanea di tutte le particelle di un sistema di masse puntiformi gravitazionali è possibile solo se il momento della quantità di moto totale si annulla. Si dimostra che questo enunciatonon è caratteristico della gravitazione, ma vale piuttosto per un'ampia classe di forze centrali.

     

The displacement discontinuity method in the analysis of open cracks

The application of the displacement discontinuity numerical technique to the solution of some problems of fracture mechanics is demonstrated in the hypothesis of homogeneous and elastic material. The fracture is supposed to be free from traction and is represented by a set of constant displacement discontinuity elements, except for two parabolic elements, located at each crack tip, in order to simulate the singularity of the solution near the crack tips. On the basis of the stress and displacement field determined by the displacement discontinuity method, the stress intensity factors for mode I and II are computed according to the method of the displacements. Three examples are provided to verify the validity of the formulation.

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Sommario Lo scopo del presente lavore è di illustrare l'applicazione del metodo numerico della Displacement Discontinuity alla soluzione di alcuni problemi di meccanica della frattura, nell'ipotesi di materiale omogeneo ed elastico. La frattura è supposta aperta ed è rappresentata da una linea di elementi a discontinuità di spostamento costante, con l'eccezione di due speciali elementi parabolici, ubicati agli apici, al fine di simulare la singolarita' del campo tensionale. Sulla base del campo degli sforzi e degli spostamenti cosi determinati, vengono ricavati i fattori di concentrazione degli sforzi in modo I e II mediante il metodo degli spostamenti. Vengono inoltre riportati tre esempi di calcolo, effettuati al fine di verificare la validità del procedimento proposto.

     

Some unsteady exact pseudo-plane solutions for the Navier-Stokes equations

Unsteady pseudo-plane and plane motions for Navier-Stokes equations have been studied, which are generalized Beltrami flows, related to separable stream functions. All the pseudo-plane motions of the first kind of such a type, a wide class of plane universal solutions, which seems to be new, and a class of pseudo-plane motions of the second kind, dependent on an arbitrary function of time, with a primitive steady plane solution which is the celebrated Kelvin's cat's eye vortices are formed.

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Sommario Si studiano moti non stazionari pseudopiani e piani dell'equazioni di Navier Stokes. Questi moti sono flussi generalizzati di Beltrami con una particolare dipendenza della funzioni di corrente dalle coordinate spaziali in modo separato. Nell'ambito di questa famiglia di flussi vengono esplicitamente trovati tutti i moti pseudopiani di primo tipo e vengono anche individuate un'ampia classe di soluzioni universali piane e una classe di moti pseudopiani del secondo tipo che possiedono come flussoprimitivo i famosi vortici adocchi di gatto di Kelvin.

     

Computer simulation of a viscous channel flow

Summary A numerical solution of the two — dimensional Navier — Stokes equations for the flow in a duct between parallel plates in the presence of a diaphragm with an orifice at Reynolds number Re=1800 is presented. The plots of the resulting streamlines are illustrated and the computed discharge coefficient is compared with the experimental results.

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Sommario Si presenta una soluzione numerica delle equazioni di Navier-Stokes bidimensionali in un condotto tra lastre parallelel in presenza di un diaframma forato al numero di Reynolds Re=1800. Si illustrano i grafici delle linee di corrente ottenute e si fa un confronto tra il coefficiente di portata calcolato e i risultati sperimentali.

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This work was done under the auspices of the CNR Research Groups.     

Strong ellipticity conditions for the differential operator of the finite isotropic elasticity

Summary TheStrong-Ellipticity conditions of the operator expressing the problem of a state of finite elastic deformation superimposed on a distorted configuration are examined. Sufficient criteria ofLocal Strong-Ellipticity, depending only on the so called Elastic Moduli of the material and on the principal components of stretch in the initial distorted configuration are supplied.

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Sommario Vengono esaminate le condizioni diEllitticità Forte dell'operatore traducente il problema di uno stato di deformazione elastica sovrapposto a una configurazione deformata. In particolare sono dati criteri sufficienti diEllitticità Forte Locale, dipendenti solo dai cosiddetti moduli elastici del materiale e le componenti principali di dilatazione pura nella configurazione iniziale deformata.

     

Large amplitude internal gravity waves in stably stratified fluids: Linear model

Summary In this paper, we consider a linear model for internal waves in a stratified fluid. The equations are generalised by Fourier analysis after the manner of Scorer(1949) who considered an infinite atmosphere.

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Sommario Si considera un modello lineare per le onde interne in un fluido stratificato. Le equazioni sono generalizzate con un'analisi di Fourier secondo il metodo di Scorer(1949) che ha considerato un'atmosfera infinita.

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On the dynamic behaviour of elastic plastic beams simply supported and axially loaded

Summary An elasto-plastic beam-column model withn degrees of freedom statically loaded with an axial compressive force is considered. Its dynamic behaviour in the elasto-plastic range, resulting from the action of a transversal distributed force periodically varying in time in condition of resonance with the structure in the elastic range, is examined. The principal differences with previous results obtained with one degree of freedom model are showed.

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Sommario Si considera un modello adn gradi di libertà di un'asta elasto plastica sollecitata staticamente da una forza assiale di compressione. Se ne esamina la risposta, in campo elasto plastico, ad un carico trasversale distribuito, variabile con legge armonica ed in condizioni di risonanza con la struttura in campo elastico, evidenziando le principali differenze rispetto alle conclusioni tratte in precedenza utilizzando schemi ad un grado di libertà.

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The present investigation has been promoted and financed by the Consiglio Nazionale Ricerche (C.N.R.) at the Istituto di Scienza e Tecnica delle Costruzioni del Politecnico di Milano.     

Scattering of implusive sound waves by a rigid cylinder

Summary Analytic time solutions for the scattering of impulsive waves (the time-space Green function) by a rigid circular cylinder in an annular domain are obtained through a finite integral transform of the spatial variable. By a similar generalized procedure the scattering of impulsive waves by a rigid cylinder in an infinite medium is described in order to obtain the Green function of the reduced wave equation in terms of a series of propagation modes.

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Sommario In questo articolo si presentano alcuni metodi di soluzione analitica di problemi di diffrazione di onde impulsive in un dominio anulare. Le soluzioni sono ottenute con l'impiego di una trasformata integrale finita della variabile spaziale. Attraverso un procedimento analogo generalizzato viene descritta la diffrazione di onde impulsive causate da un cilindro circolare rigido in un mezzo infinito.

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This work was supported by C.N.R., Committee for Mathematical Sciences.     

Separation points in laminar flows

This paper presents an approximate method for determining separation points in laminar flows. The method of solution of the boundary layer equations uses two integrated equations: the main characteristic of the method is that its approximations (based on a representation of the velocity profiles by means of the Taylor formula) are only in integrals. The first-order approximation gives the solution in closed form and is accurate for accelerated flows and for decelerated flows when the non-dimensional axial derivative of the pressurep _x is less than 0.5: for stronger adverse pressure gradients accurate results are obtained by means of the third approximation.The same method was applied successfully to the energy equation.

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Sommario Questo lavoro presenta un metodo approssimato per determinare i punti di separazione in flussi laminari. Il metodo di soluzione delle equazioni dello strato limite utilizza le derivate dell'equazione della quantita' di moto e due equazioni integrate: la caratteristica fondamentale del metodo risiede nell'approssimare (mediante una rappresentazione dei profili di velocita' basata sulla formula di Taylor) solo integrali. La prima approssimazione da' la soluzione in forma chiusa ed e' accurata per flussi accelerati e per flussi decelerati quando la derivata della pressione assiale in forma adimensionalep _x e' minore di 0.5: per gradienti di pressione piu' sfavorevoli risultati accurati si hanno con la terza approssimazione. Lo stesso metodo e' stato applicato con successo all'equazione dell'energia.

     

Minimum theorems for displacement and plastic strain rate histories in structural elastoplasticity

Summary The finite element method approach is used to obtain formulations of analysis problems relative to elastic-plastic structures when subjected to prescribed programmes of loads, and under the restrictive hypotheses:a) the yielding surfaces are piecewise linearized, andb) the plastic flow-laws are supposed to be of holonomic type within a single “finite” time interval. For mulations are given as linear complementarity problems and quadratic programming problems: one pair of formulations in terms of velocity and plastic multiplier rate histories, and another pair in terms of plastic multiplier rate histories only. The solutions are shown to be characterized by two minimum principles for displacement and plastic strain rate histories. After some general remarks about computational procedures, the paper is concluded with some suggestions for future developments.

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Sommario Si usa il metodo degli elementi finiti per formulare problemi di analisi relativi a strutture elasto-plastiche soggette a prescritti programmi di carico, sotto le ipotesi restrittive:a) le superfici di plasticizzazione sono linearizzate a tratti, eb) la legge del flusso plastico è olonoma all'interno del singolo intervallo di tempo “finito”. Si danno formulazioni come problemi di complementarità lineare e come problemi di programmazione quadratica: due formulazioni sono in termini di storia delle velocità e dei coefficienti di attivazione plastica, altre due sono in termini di storia dei coefficienti di attivazione plastica soltanto. Si dimostra che le soluzioni sono caratterizzate da due principi di minimo per la storia delle velocità di deformazione. Dopo alcune osservazioni generali sui procedimenti di calcolo, il lavoro si conclude con dei suggerimenti per futuri sviluppi.

     

Two arc cracks around a circular rigid inclusion

Summary The problem of two symmetric arc cracks lying between a rigid circular inclusion embedded in an infinite matrix under biaxial loading at infinity is considered. By using the complex variable tecnique, the boundary value problem is solved and stress and displacement components are calculated along the inclusion boundary. Moreover, investigating the local stress field, a stress criterion, already proposed by authors, allowing either the crack extension at the interface or its deviation into the matrix to be taken into account, is applied to study the fracture response of the elastic system. The critical applied loads as well as the angle of the incipient crack extension are expressed in terms of the central angle subtended by the crack arcs.Finally the biaxial load effects are graphically shown and discussed.

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Sommario Si considera il problema piano di due «craks» simmetrici all'interfaccia tra una inclusione circolare rigida e la circostante matrice, in regime di carico biassiale. Facendo uso della tecnica delle variabili complesse, viene risolto il problema dei valori al contorno, ricavando altresi le espressioni delle tensioni e degli spostamenti lungo il contorno dell'inclusione. Inoltre, applicando un criterio tensionale, già proposto dagli autori, che consente di studiare sia la estensione del crack all'interfaccia che la sua deviazione nella matrice, si analizza la risposta del sistema considerato. I valori critici dei carichi applicati, nonchè l'angolo di frattura, risultano espressi in funzione dell'angolo al centro sotteso dai cracks.Infine, vengono illustrati graficamente e discussi gli effetti del carico laterale.

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Financial support of the National Research Council (C.N.R.) (research contribution N. 79.01625.07) is gratefully acknowledged.     

Detachment instabilities in membranes

Summary Some free boundary value problems involving the equilibrium of elastic membranes are examined. Each membrane is clamped along a part of the boundary and uniformly loaded along another part. The clamped part is weakened by a crack. As the exterior load increases, the crack tends to extend and, for a certain critical value of the load, may run catastrophically.

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Sommario Si esaminano alcuni problemi di frontiera libera relativi all'equilibrio delle membrane elastiche. Ciascuna membrana è incastrata lungo una parte del contorno e caricata uniformemente lungo l'altra. La parte incastrata é indebolita da una fessura. Quando il carico esterno cresce, la fessura tende ad estendersi e, per un certo valore critico del carico, può progredire catastroficamente.