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Shock waves, explosions, impacts or cavitation bubble collapses may generate stress waves in solids causing cracks or unexpected dammage due to focussing, physical nonlinearity or interaction with existing cracks. There is a growing interest in wave propagation, which poses many novel problems to experimentalists and theorists.
7th International Conference on Reliability of Materials and Structures (RELMAS 2008). June 17 - 20, 2008 ; Saint Petersburg, Russia. pp 354-358. Reprint with corrections in red Introduction Analysis of advanced structures working under extreme heavy loading such as nuclear power plants and piping system should take into account the randomness of loading, geometrical and material parameters. The existing reliability are restricted mostly to the elastic working regime, e.g. allowable local stresses. Development of the limit and shakedown reliability-based analysis and design methods, exploiting potential of the shakedown working regime, is highly needed. In this paper the application of a new algorithm of probabilistic limit and shakedown analysis for shell structures is presented, in which the loading and strength of the material as well as the thickness of the shell are considered as random variables. The reliability analysis problems may be efficiently solved by using a system combining the available FE codes, a deterministic limit and shakedown analysis, and the First and Second Order Reliability Methods (FORM/SORM). Non-linear sensitivity analyses are obtained directly from the solution of the deterministic problem without extra computational costs.
Abstracts of the ACHEMA 2000 - International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology, May 22 - 27, 2000. Frankfurt am Main. Achema 2000 : special edition / Linde. [Ed.: Linde AG. Red.: Volker R. Leski]. - Wiesbaden : Linde AG, 2000. - 56 p. : Ill., . - pp: 79 - 81
Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. Die Autoren möchten der Europäischen Kommission an dieser Stelle für die Förderung ausdrücklich danken. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist änhlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA geplante Zuverlässigkeitsanalyse ist erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar.
Genaue Kenntnis der Spannungen und Verformungen in passiven Komponenten gewinnt man mit detailierten inelastischen FEM Analysen. Die lokale Beanspruchung läßt sich aber nicht direkt mit einer Beanspruchbarkeit im strukturmechanischen Sinne vergleichen. Konzentriert man sich auf die Frage nach der Tragfähigkeit, dann vereinfacht sich die Analyse. Im Rahmen der Plastizitätstheorie berechnen Traglast- und Einspielanalyse die tragbaren Lasten direkt und exakt. In diesem Beitrag wird eine Implementierung der Traglast- und Einspielsätze in ein allgemeines FEM Programm vorgestellt, mit der die Tragfähigkeit passiver Komponenten direkt berechnet wird. Die benutzten Konzepte werden in Bezug auf die übliche Strukturanalyse erläutert. Beispiele mit lokal hoher Beanspruchung verdeutlichen die Anwendung der FEM basierten Traglast- und Einspielanalysen. Die berechneten Interaktionsdiagramme geben einen guten Überblick über die möglichen Betriebsbereiche passiver Komponenten. Die Traglastanalyse bietet auch einen strukturmechanischen Zugang zur Kollapslast rißbehafteter Komponenten aus hochzähem Material.
Limit and shakedown theorems are exact theories of classical plasticity for the direct computation of safety factors or of the load carrying capacity under constant and varying loads. Simple versions of limit and shakedown analysis are the basis of all design codes for pressure vessels and pipings. Using Finite Element Methods more realistic modeling can be used for a more rational design. The methods can be extended to yield optimum plastic design. In this paper we present a first implementation in FE of limit and shakedown analyses for perfectly plastic material. Limit and shakedown analyses are done of a pipe–junction and a interaction diagram is calculated. The results are in good correspondence with the analytic solution we give in the appendix.
Im Rahmen von Ermüdungsanalysen ist nachzuweisen, daß die thermisch bedingten fortschreitenden Deformationen begrenzt bleiben. Hierzu ist die Abgrenzung des Shakedown-Bereiches (Einspielen) vom Ratchetting-Bereich (fortschreitende Deformation) von Interesse. Im Rahmen eines EU-geförderten Forschungsvorhabens wurden Experimente mit einem 4-Stab-Modell durchgeführt. Das Experiment bestand aus einem wassergekühlten inneren Rohr und drei isolierten und beheizbaren äußeren Probestäben. Das System wurde durch alternierende Axialkräfte, denen alternierende Temperaturen an den äußeren Stäben überlagert wurden, belastet. Die Versuchsparameter wurden teilweise nach vorausgegangenen Einspielanalysen gewählt. Während der Versuchsdurchführung wurden Temperaturen und Dehnungen zeitabhängig gemessen. Begleitend und nachfolgend zur Versuchsdurchführung wurden die Belastungen und die daraus resultierenden Beanspruchungen nachvollzogen. Bei dieser inkrementellen elasto-plastischen Analyse mit dem Programm ANSYS wurden unterschiedliche Werkstoffmodelle angesetzt. Die Ergebnisse dieser Simulationsberechnung dienen dazu, die Shakedown-Analysen mittels FE-Methode zu verifizieren.
Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist ähnlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA entwickelten Zuverlässigkeitsanalysen sind nichlinear erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar. Auf die vorgesehenen Erweiterungen der Werkstoffmodellierung für nichtlineare Verfestigung und für Schädigung konnte hier nicht eingegangen werden. Es herrscht ein deutlicher Mangel an Experimenten zum Nachweis der Grenzen zwischen elastischem Einspielen und dem Versagen durch LCF oder durch Ratchetting.
Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der klassischen Plastizitätstheorie, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Eine FEM-basierte Traglast- und Einspielanalyse für ideal plastisches Material wurde auf ein kinematisch verfestigendes Materialgesetz erweitert und in das Finite Element Programm PERMAS implementiert. In einem einfachen Zug-Torsionsexperiment wurde eine Hohlprobe mit konstanter Torsion und zyklischer Zugbelastung beansprucht, um die neue Implementierung zu verifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Einspielanalyse gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Bei Verfestigung lassen sich wesentlich größere Sicherheiten nachweisen. Dieses Potential bedarf weiterer experimenteller Absicherung. Parallel dazu ist die Eisnpieltheorie auf fortschrittliche Verfestigungsansätze zu erweitern.
The propagation of mechanical waves in plates of isotropic elastic material is investigated. After a short introduction to the understanding of focussing of stress waves in a plate with a curved boundary the method of characteristics is applied to a plate of hyperelastic material. Using this method the propagation of acceleration waves is discussed. Based on this a numerical difference scheme is developed for solving initial-boundary-value problems and applied to two examples: propagation of a point disturbance in a homogeneously finitely strained non-linear elastic plate and geometrical focussing in al linear elastic plate.
Summary: This paper presents a methodology to study and understand the mechanics of stapled anastomotic behaviors by combining empirical experimentation and finite element analysis. Performance of stapled anastomosis is studied in terms of leakage and numerical results which are compared to in vitro experiments performed on fresh porcine tissue. Results suggest that leaks occur between the tissue and staple legs penetrating through the tissue.
Originalausgabe: Orthopädische Praxis Jg. 47. 2011 H. 11; S. 536-543. Mit freundlicher Genehmigung des Verlags Zusammenfassung: Auf der Basis von Patientenabfragen mittels Fragebogen zum Schmerzempfinden und zur Einschränkung bei Aktivitäten des alltäglichen Lebens wird die Langzeitwirkung der MBST® KernspinResonanz-Therapie bei Gonarthrose untersucht. An der Studie nahmen 39 Patienten teil, bei denen die Therapie bis zu vier Jahre zurückliegt. Neben einer Gesamtbetrachtung wird der Erfolg auch in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und sportlicher Aktivität analysiert. Insgesamt weist die Studie auf eine anhaltende Verbesserung des Gesundheitszustands mit zum Teil deutlicher Schmerzlinderung auch noch nach vier Jahren hin, jedoch mit einer leichten Schmerzzunahme gegen Ende des Untersuchungszeitraums von vier Jahren. Eine tendenziell positivere Wirkung bei Frauen, älteren Menschen oder auch sportlich nicht-aktiven Patienten lässt auf eine mögliche Beeinflussung des Erfolgs der Therapie durch (Über-)Belastung im Alltag schließen. Ein zusätzlich positiver Effekt der Therapie auf die Knochendichte ist ebenfalls denkbar, dies bleibt jedoch offen.
Diese Studie beschäftigte sich mit der Dämpfungswirkung von Schienbeinschonern, wie sie beim Fußball zum Einsatz kommen. Sie wurde mit Hilfe eines Pendelhammers durchgeführt, der verschiedene Aufschlagkräfte auf die Schoner ermöglichte. Dabei wurde deutlich, dass Schienbeinschoner die beste Wirkung bei Maximalkräften unterhalb von 5kN erreichen können, dass bei größerer Belastung allerdings Verbesserungsbedarf besteht. Hierfür konnte, u.a. durch den Einsatz neuer Materialien, ein guter Ansatzpunkt im „adäquaten Zusammenspiel von Schale und Polsterung“ der Schoner gefunden werden. Die Untersuchung hat weiterhin gezeigt, dass zumindest teilweise eine deutliche Verbesserung der Dämpfungswirkung der Schienbeinschoner in den letzten Jahren erreicht werden konnte.
Sensitivity of and Influences on the Reliability of an HTR-Module Primary Circuit Pressure Boundary
(1993)
Reliability of the Primary Circuit Pressure Boundary of an HTR-Module under Accident Conditions
(1993)
Limit Analysis of Defects
(2000)
LISA, ein europäisches Projekt zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen.
(1998)
Limit loads of circumferentially flawed pipes and cylindrical vessels under internal pressure
(2006)
Soft Materials in Technology and Biology – Characteristics, Properties, and Parameter Identification
(2008)
Load bearing capacity of thin shell structures made of elastoplastic material by direct methods
(2008)
Shakedown analysis of two dimensional structures by an edge-based smoothed finite element method
(2010)
Upper and lower bound theorems of limit analyses have been presented in part I of the paper. Part II starts with the finite element discretization of these theorems and demonstrates how both can be combined in a primal–dual optimization problem. This recently proposed numerical method is used to guide the development of a new class of closed-form limit loads for circumferential defects, which show that only large defects contribute to plastic collapse with a rapid loss of strength with increasing crack sizes. The formulae are compared with primal–dual FEM limit analyses and with burst tests. Even closer predictions are obtained with iterative limit load solutions for the von Mises yield function and for the Tresca yield function. Pressure loading of the faces of interior cracks in thick pipes reduces the collapse load of circumferential defects more than for axial flaws. Axial defects have been treated in part I of the paper.
Suburethral slings as well as different meshes are widely used treating stress urinary incontinence and prolaps in women. With the development of MiniSlings and special meshes using less alloplastic material anchorage systems become more important to keep devices in place and to put some tension especially on the MiniSlings. To date, there are many different systems of MiniSlings of different companies on the market which differ in the structure of the used meshes and anchors. A new objective measurement method to compare different properties of MiniSling systems (mesh and anchor) is presented in this article. Ballistic gelatine acts as soft tissue surrogate. Significant differences in parameters like pull-out strength of anchors or shrinkage of meshes under loading conditions have been determined. The form and size of the anchors as well as the structural stability of the meshes are decisive for a proper integration. The tested anchorings sytems showed markedly different mechanical function at their respective load bearing capacity. As the stable fixation of the device in tissue is a prerequisite for a permanet reinforcement, the proposed test system permits further optimisation of anchor and mesh devices to improve the success of the surgical treatment
The impact of surgical staplers on tissues has been studied mostly in an empirical manner. In this paper, finite element method was used to clarify the mechanics of tissue stapling and associated phenomena. Various stapling modalities and several designs of circular staplers were investigated to evaluate the impact of the device on tissues and mechanical performance of the end-to-end colorectal anastomosis. Numerical simulations demonstrated that a single row of staples is not adequate to resist leakage due to non-linear buckling and opening of the tissue layers between two adjacent staples. Compared to the single staple row configuration, significant increase in stress experienced by the tissue at the inner staple rows was observed in two and three rows designs. On the other hand, adding second and/or third staple row had no effect on strain in the tissue inside the staples. Variable height design with higher staples in outer rows significantly reduced the stresses and strains in outer rows when compared to the same configuration with flat cartridge.
Influence of a freeze–thaw cycle on the stress–stretch curves of tissues of porcine abdominal organs
(2012)
The paper investigates both fresh porcine spleen and liver and the possible decomposition of these organs under a freeze–thaw cycle. The effect of tissue preservation condition is an important factor which should be taken into account for protracted biomechanical tests. In this work, tension tests were conducted for a large number of tissue specimens from twenty pigs divided into two groups of 10. Concretely, the first group was tested in fresh state; the other one was tested after a freeze-thaw cycle which simulates the conservation conditions before biomechanical experiments. A modified Fung model for isotropic behavior was adopted for the curve fitting of each kind of tissues. Experimental results show strong effects of the realistic freeze–thaw cycle on the capsule of elastin-rich spleen but negligible effects on the liver which virtually contains no elastin. This different behavior could be explained by the autolysis of elastin by elastolytic enzymes during the warmer period after thawing. Realistic biomechanical properties of elastin-rich organs can only be expected if really fresh tissue is tested. The observations are supported by tests of intestines.
Determination of the frictional coefficient of the implant-antler interface : experimental approach
(2012)
The similar bone structure of reindeer antler to human bone permits studying the osseointegration of dental implants in the jawbone. As the friction is one of the major factors that have a significant influence on the initial stability of immediately loaded dental implants, it is essential to define the frictional coefficient of the implant-antler interface. In this study, the kinetic frictional forces at the implant-antler interface were measured experimentally using an optomechanical setup and a stepping motor controller under different axial loads and sliding velocities. The corresponding mean values of the static and kinetic frictional coefficients were within the range of 0.5–0.7 and 0.3–0.5, respectively. An increase in the frictional forces with increasing applied axial loads was registered. The measurements showed an evidence of a decrease in the magnitude of the frictional coefficient with increasing sliding velocity. The results of this study provide a considerable assessment to clarify the suitable frictional coefficient to be used in the finite element contact analysis of antler specimens.
Effectiveness of the edge-based smoothed finite element method applied to soft biological tissues
(2012)
Einschränkung von Taluskippung und -vorschub durch Sprunggelenkorthesen nach fibularer Bandruptur
(2013)
Die fibulare Bandruptur zählt zu einer der am häufigsten auftretenden Verletzungen des
Bewegungsapparats. In den meisten Fällen wird heute die konservativ frühfunktionelle Therapie mit Sprunggelenkorthesen allgemein bevorzugt. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden 14 verschiedene Sprunggelenkorthesen im Hinblick auf ihre Einschränkung von Taluskippung und Talusvorschub
untersucht. Zur Simulation einer fibularen Bandruptur wurde ein Unterschenkelmodell aus Holz mit Fußteil, mit angelegten Orthesen in einen Scheuba-Halteapparat eingespannt und mit 150 N seitlich sowie anterior-posterior belastet. Anhand der erstellten "gehaltenen" Röntgenaufnahmen konnten Taluskippung und Talusvorschub jeder einzelnen Orthese eindeutig bestimmt werden. Die meisten Orthesen erreichten zufriedenstellende Ergebnisse. Es stellte sich heraus, dass vor allem eine eng anliegende, im Gelenkbereich anatomisch angepasste Form vorteilhaft zu sein scheint.
Shakedown analysis of Reissner-Mindlin plates using the edge-based smoothed finite element method
(2014)
This paper concerns the development of a primal-dual algorithm for limit and shakedown analysis of Reissner-Mindlin plates made of von Mises material. At each optimization iteration, the lower bound of the shakedown load multiplier is calculated simultaneously with the upper bound using the duality theory. An edge-based smoothed finite element method (ES-FEM) combined with the discrete shear gap (DSG) technique is used to improve the accuracy of the solutions and to avoid the transverse shear locking behaviour. The method not only possesses all inherent features of convergence and accuracy from ES-FEM, but also ensures that the total number of variables in the optimization problem is kept to a minimum compared with the standard finite element formulation. Numerical examples are presented to demonstrate the effectiveness of the present method.
A 3D finite element model of the female pelvic floor for the reconstruction of urinary incontinence
(2014)
This paper develops a new finite element method (FEM)-based upper bound algorithm for limit and shakedown analysis of hardening structures by a direct plasticity method. The hardening model is a simple two-surface model of plasticity with a fixed bounding surface. The initial yield surface can translate inside the bounding surface, and it is bounded by one of the two equivalent conditions: (1) it always stays inside the bounding surface or (2) its centre cannot move outside the back-stress surface. The algorithm gives an effective tool to analyze the problems with a very high number of degree of freedom. Our numerical results are very close to the analytical solutions and numerical solutions in literature.
Two single-incision mini-slings used for treating urinary incontinence in women are compared with respect to the stresses they produce in their surrounding tissue. In an earlier paper we experimentally observed that these implants produce considerably different stress distributions in a muscle tissue equivalent. Here we perform 2D finite element analyses to compare the shear stresses and normal stresses in the tissue equivalent for the two meshes and to investigate their failure behavior. The results clearly show that the Gynecare TVT fails for increasing loads in a zipper-like manner because it gradually debonds from the surrounding tissue. Contrary to that, the tissue at the ends of the DynaMesh-SIS direct may rupture but only at higher loads. The simulation results are in good agreement with the experimental observations thus the computational model helps to interpret the experimental results and provides a tool for qualitative evaluation of mesh implants.
Successful bone sawing requires a high level of skill and experience, which could be gained by the use of Virtual Reality-based simulators. A key aspect of these medical simulators is realistic force feedback. The aim of this paper is to model the bone sawing process in order to develop a valid training simulator for the bilateral sagittal split osteotomy, the most often applied corrective surgery in case of a malposition of the mandible. Bone samples from a human cadaveric mandible were tested using a designed experimental system. Image processing and statistical analysis were used for the selection of four models for the bone sawing process. The results revealed a polynomial dependency between the material removal rate and the applied force. Differences between the three segments of the osteotomy line and between the cortical and cancellous bone were highlighted.