Artificial neural network (ANN) approach for modelling of pile settlement of open-ended steel piles subjected to compression load

This study was devoted to examine pile bearing capacity and to provide a reliable model to simulate pile load-settlement behaviour using a new artificial neural network (ANN) method. To achieve the planned aim, experimental pile load test were carried out on model open-ended steel piles, with pile aspect ratios of 12, 17, and 25. An optimised second-order Levenberg-Marquardt (LM) training algorithm has been used in this process. The piles were driven in three sand densities; dense, medium, and loose. A statistical analysis test was conducted to explore the relative importance and the statistical contribution (Beta and Sig) values of the independent variables on the model output. Pile effective length, pile flexural rigidity, applied load, sand-pile friction angle and pile aspect ratio have been identified to be the most effective parameters on model output. To demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm, a graphical comparison was performed between the implemented algorithm and the most conventional pile capacity design approaches. The proficiency metric indicators demonstrated an outstanding agreement between the measured and predicted pile-load settlement, thus yielding a correlation coefficient (R) and root mean square error (RMSE) of 0.99, 0.043 respectively, with a relatively insignificant mean square error level (MSE) of 0.0019. © 2018, © 2018 Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis Group

Quasi-statyczne kryteria zniszczenia betonu

The behaviour of concrete under quasi-static loadings for uniaxial compression, tension and plane stress conditions is studied. The failure criteria of concrete are discussed as well as the methods of constitutive parameters identification are elaborated. The attention is focused on an energetic interpretation of selected failure criteria. The numerical example with concrete damage plasticity material model is shown.W pracy prezentuje się zachowanie betonu przy obciążeniach quasi-statycznych przy jednoosiowym ściskaniu i rozciąganiu oraz w płaskim stanie naprężenia. Dyskutowane są kryteria zniszczenia betonu oraz metody identyfikacji parametrów konstytutywnych. Istotnym elementem jest również energetyczna interpretacja omawianych kryteriów. Zawarto przykład numeryczny wykorzystujący model materiału betonu plastycznego ze zniszczeniem, który dowodzi prawdziwości opisu konstytutywnego na podstawie wyników eksperymentalnych

Smoothed particle hydrodynamics versus finite element method for blast impact

The paper considers the failure study of concrete structures loaded by the pressure wave due to detonation of an explosive material. In the paper two numerical methods are used and their efficiency and accuracy are compared. There are the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) and the Finite Element Method (FEM). The numerical examples take into account the dynamic behaviour of concrete slab or a structure composed of two concrete slabs subjected to the blast impact coming from one side. The influence of reinforcement in the slab (1, 2 or 3 layers) is also presented and compared with a pure concrete one. The influence of mesh density for FEM and the influence of important parameters in SPH like a smoothing length or a particle distance on the quality of the results are discussed in the paper

Quasi-Static Failure Criteria for Concrete / Quasi-Statyczne Kryteria Zniszczenia Betonu

W pracy prezentuje sie zachowanie betonu przy obciazeniach quasi-statycznych przy jednoosiowym sciskaniu i rozciaganiu oraz w płaskim stanie naprezenia. Dyskutowane sa kryteria zniszczenia betonu oraz metody identyfikacji parametrów konstytutywnych. Istotnym elementem jest równiez energetyczna interpretacja omawianych kryteriów. Zawarto przykład numeryczny wykorzystujacy model materiału betonu plastycznego ze zniszczeniem, który dowodzi prawdziwosci opisu konstytutywnego na podstawie wyników eksperymentalnych

Ograniczenia zastosowania Metody Elementów Skończonych w analizie numerycznej pola akustycznego

In the paper, we introduce information on limitations of the Finite Element Method in acoustic analysis. Difficulties that appear in acoustic analysis are mainly caused by the form of shape functions and sensitivities to boundaries, so we start with a short description of mathematical background. The propositions how to overcome and simplify those disadvantages are summarized and illustrated with a real application.W pracy przedstawiono ograniczenia zastosowania Metody Elementów Skończonych w analizie numerycznej pola akustycznego. Wykazano, iż trudności w ocenie rozkładu akustycznych pól ciśnień spowodowane są doborem funkcji kształtu, wrażliwością na warunki brzegowe oraz gęstością stosowanych siatek MES. Na bazie porównania symulacji numerycznych z przeprowadzonym eksperymentem pokazano, w jaki sposób można niektóre z tych ograniczeń pominąć oraz do jakiego stopnia można uprościć analizę akustyczną, przyjmując modele dwuwymiarowe

Nowacki's double shear test in the framework of the anisotropic thermo-elasto-viscoplastic material model

In the paper, the numerical simulation of Nowacki's double shear test in the framework of recently proposed viscoplasticity theory for anisotropic solids is presented. The numerical analysis comprises the full spatial modelling and is carried out for the DH-36 steel sheet in adiabatic conditions (the analysis of anisotropic bodies can be led only on 3D models). During analyses, strain rates of order 104-107 s-1 are observed and the process time duration up to full damage (loss of continuity in the localisation zone) is around 150-300 žs. The novelty of the research is focused on the formulation that includes the anisotropy of the intrinsic microdamage process. Thus, it makes possible to obtain qualitatively and quantitatively new results compared with the existing models, like tracing the softening directions and better (closer to experiment) prediction of damage paths.W pracy przedstawiono numeryczne symulacje testu podwojnego ścinania, zaproponowanego przez prof. Nowackiego, w ramach sformułowania teorii lepkoplastyczności dla anizotropowych ciał stałych. Analizy numeryczne obejmują modele trójwymiarowe i są wykonane dla stali DH-36 w warunkach adiabatycznych (analiza ciał anizotropowych może być przeprowadzona wyłącznie na modelach trojwymiarowych). W trakcie analiz obserwuje się prędkości deformacji rzędu 104-107 s-1, a czas trwania procesu do całkowitego zerwania próbki (utraty ciągłości w strefie lokalizacji) jest z przedziału 150-300 žs. Oryginalność badań wynika z faktu uwzględnienia w definicji konstytutywnego modelu anizotropowego wewnętrznego procesu mikrouszkodzeń. W rezultacie, uzyskane wyniki dają jakościowo i ilościowo nowy obraz procesu, w szczegolności umożliwiają śledzenie kierunkow osłabienia oraz dokładniejsze (bliższe rezultatom eksperymentalnym) odwzorowanie ścieżki zniszczenia

Numeryczna złożoność wybranych problemów biomechaniki

The paper describes various aspects of numerical modeling of biomechanical problems by the finite element method. The authors would like to present what they mean by the numerical complexity of modeling of biomechanical problems. The attention is focused on numerical simulation of dental implants and human lumbar spine motion segment (L4-L5). In both cases, acquisition and creation of geometry, number of DOFs, combining different types of elements, properties of the material, contact definitions, loads and boundary conditions are difficult tasks. The acquisition of geometric data of living body parts can be realized only by using noninvasive techniques like NMR or CT. The processing of these data requires specialized software and methods. The methodologies of defining mechanical parameters of human tissues are usually inaccurate and have to be used in practice on living people very carefully. The constitutive data in literature are usually grossly inconsistent. In numerical simulations, custom material formulations and modeling techniques should be used. It is difficult to describe real-world loads and boundary conditions since both are very complex and changing. Load scheme models are global and force values are very difficult to obtain. Boundary conditions are necessarily very simplified but they should reflect specific biological behaviors and conditions. Nevertheless, the numerical simulation by means of the finite element method can be helpful and useful during solving biomechanical problems like fatigue analysis of dental implants or estimating the stiffness of human lumbar spine segment.Praca opisuje wybrane aspekty modelowania numerycznego z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych (MES) zagadnień biomechaniki. Autorzy starają się podkreślić złożoność takiej analizy MES. Uwagę skupiono na dwóch przykładach: analizie wszczepu stomatologicznego oraz ruchomości segmentu kręgosłupa ludzkiego (L4-L5). W obu analizowanych i modelowanych przypadkach odtworzenie geometrii, liczba typów elementów i stopni swobody modeli, przyjęcie modeli i właściwości konstytutywnych materiałów biologicznych, definicje problemów kontaktowych czy warunków początkowo-brzegowych stanowią o poziomie trudności podejmowanych zadań. Pokonanie wymienionych trudności, a co za tym idzie zbudowanie modeli numerycznych odtwarzających zachowanie się rzeczywistych elementów biomechanicznych jest przedmiotem podejmowanej w pracy dyskusji. Pomimo tej złożonościzadań, zastosowanie MES do oceny zachowania się implantów bądź segmentu ruchowego prowadzi do wystarczająco zgodnej z eksperymentem oceny trwałości implantów lub sztywności segmentów kręgosłupa

Weryfikacja eksperymentalna wytrzymałości zmęczeniowej zoptymalizowanego implantu stomatologicznego

W artykule przedstawiono weryfikację zoptymalizowanego implantu zębowego w kontekście wytrzymałości zmęczeniowej przy pomocy testów laboratoryjnych. Optymalne rozwiązanie otrzymano przy zastosowaniu modelu numerycznego metodą elementów skończonych oraz strategii łączącej algorytm genetyczny z procedurą Hooke-Jeeves. Dla projektu bazowego oraz ulepszonego rozwiązania przeprowadzono serię testów na maszynie Instron 8874 używając metody Locati przyśpieszonego badania zmęczeniowego. Prezentowane badania są weryfikacją efektywności przyjętej strategii optymalizacji. Z powodu zastosowanej metodologii badań eksperymentalnych, efekty optymalizacji poddano tylko porównaniu jakościowemu.In this paper the verification of the optimal dental implant design is presented. It is focused on fatigue fracture and is carried out with experimental tests. The optimal design was obtained with an optimization strategy using finite element model and genetic algorithm hybridized with Hooke-Jeeves technique. The fatigue tests of the prototype and initial designs of dental implants have been performed on Instron 8874 testing system using Locati method of an accelerated fatigue testing. The presented studies are excepted to verified the effectiveness of optimization strategy. Due to used methodology for experimental verification only qualitative effects of the optimization are compared. The work is a part of long term project under the grant R13 0020 06 “Development and preparation of dental implant prototypes”

On designing the Nowacki’s device enabling the analysis of deformation and temperature in the shear zone

In this paper a general scheme and designing challenges encountered during design of Nowacki’s shear device are presented. The novelty of the approach shown is combining 3D modelling of the whole experimental stand in Catia software with FEM simulations in Abaqus. Linking these two applications allow updating of the model effectively based on feedback from FEM analysis

Optymalizacja wszczepu stomatologicznego z wykorzystaniem algorytmu genetycznego

The subject of the present work is optimization of the modern implant system Osteoplant, which was created and is still developed by Foundation of University of Medical Sciences in Poznań. Clinical observations point to the occurrence of both early and late complications in the case of all two-component implant systems. In many cases, these problems are caused by mechanical fractures of the implants themselves. The obtained results of the previous studies focused on necessary changes of the implant mechanical behavior, which helped to achieve the required long-term strength. However, modifications of the present dental implant system are not obvious. In this paper, an optimization of the Osteoplant dental implant system, with the use of FEA and genetic algorithms is discussed.Przedmiotem prezentowanej pracy jest problem optymalizacji systemu implantologicznego Osteoplant, który został opracowany i wciąż jest ulepszany przez Fundację Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu. Obserwacje kliniczne potwierdzają występowanie powikłań zarówno we wczesnej, jak i późnej fazie użytkowania implantu. Dotychczas otrzymane wyniki wskazują, że wydłużenie bezawaryjnego okresu użytkowania implantu wymaga wprowadzenia zmian w jego pracy mechanicznej. Jednakże, ustalenie szczegłów modyfikacji nie jest oczywiste. W artykule została opisana procedura optymalizacji systemu implantologicznego Osteoplant z użyciem analizy metodą elementów skończonych oraz algorytmu genetycznego