MARC

 008240612s2023      us  |||||||||||||||c||eng  d
■001000016935287
■00520240214101914
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798380409810
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30687570
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a531
■1001  ▼aArora,  Abhishek.▼0(orcid)0009-0003-5137-8679
■24512▼aA  Study  of  Nonlinear  Deformations  and  Defects  in  the  Actuation  of  Soft  Membranes,  Rupture  Dynamics,  and  Mesoscale  Plasticity▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bCarnegie  Mellon  University.  ▼c2023
■260  1▼aAnn  Arbor  :▼bProQuest  Dissertations  &  Theses,  ▼c2023
■300    ▼a1  online  resource(152  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Acharya,  Amit.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Carnegie  Mellon  University,  2023.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aThis  work  involves  theoretical  and  computational  modeling  of  interactions  in  line  defects  and  deformation,  with  applications  in  the  fields  of  earthquake  rupture  dynamics,  designed  deformations  of  soft  membranes,  and  metal  plasticity  at  small  length  scales.  This  thesis  describes  the  study  of  four  distinct,  specific  contemporary  problems  in  these  fields.First,  micropillar  compression  experiments  probing  size  effects  in  confined  plasticity  of  metal  thin  films,  including  the  indirect  imposition  of  'canonical'  simple  shearing  boundary  conditions,  show  dramatically  different  responses  in  compression  and  shear  of  the  film.  The  theoretical  and  computational  framework  of  Mesoscale  field  dislocation  mechanics  (MFDM)  is  used  to  study  size  effects  in  micropillar  confined  thin  metal  films  in  different  orientations  (under  nominal  compression  and  shear).  The  formalism  is  shown  to  be  capable  of  reproducing  drastically  different  size  effects  in  compression  and  shear,  as  observed  experimentally,  without  any  ad-hoc  modification  to  the  basic  structure  of  the  theory  (including  boundary  conditions),  or  the  use  of  extra  fitting  parameters.  This  is  a  required  theoretical  advance  in  the  current  state-of-the-art  of  strain  gradient  plasticity  models.  It  is  also  shown  that  significantly  different  inhomogeneous  fields  can  display  qualitatively  similar  size  effect  trends  in  overall  agreement  with  experimental  results.  Finite  deformation  effects  in  elastic-plastic  materials  such  as  Swift  and  Poynting  effects  are  also  demonstrated.Second,  the  same  MFDM  framework  is  used  to  understand  the  salient  aspects  of  kink-band  formation  in  additively  manufactured  Cu-Nb  nano-metallic  laminates  (NMLs).  A  conceptually  minimal,  plane-strain  idealization  of  the  three-dimensional  geometry,  including  crystal  orientation,  is  used  to  model  NMLs.  Importantly,  the  natural  jump/interface  condition  of  MFDM  imposing  continuity  of  (certain  components)  of  plastic  strain  rates  across  interfaces  allows  theory-driven  'communication'  of  plastic  flow  across  the  laminate  boundaries  in  our  finite  element  implementation.  Kink  bands  under  layer  parallel  compression  of  NMLs  in  accord  with  experimental  observations  arise  in  our  numerical  simulations.  The  possible  mechanisms  for  the  formation  and  orientation  of  kink  bands  are  discussed,  within  the  scope  of  our  idealized  framework.  We  also  report  results  corresponding  to  various  parametric  studies  that  provide  preliminary  insights  and  clear  questions  for  future  work  on  understanding  the  intricate  underlying  mechanisms  for  the  formation  of  kink  bands.Third,  a  continuum  model  of  rupture  dynamics  is  developed  using  the  field  dislocation  mechanics  (FDM)  theory.  The  energy  density  function  in  our  model  encodes  accepted  and  simple  physical  facts  related  to  rocks  and  granular  materials  under  compression.  We  work  within  a  2-dimensional  ansatz  of  FDM  where  the  rupture  front  is  allowed  to  move  only  in  a  horizontal  fault  layer  sandwiched  between  elastic  blocks.  Damage  via  the  degradation  of  elastic  modulus  is  allowed  to  occur  only  in  the  fault  layer,  characterized  by  the  amount  of  plastic  slip.  The  theory  dictates  the  evolution  equation  of  the  plastic  shear  strain  to  be  a  Hamilton-Jacobi  (H-J)  equation,  resulting  in  the  representation  of  a  propagating  rupture  front.  A  Central-Upwind  scheme  is  used  to  solve  the  H-J  equation.  The  rupture  propagation  is  fully  coupled  to  elastodynamics  in  the  whole  domain,  and  our  simulations  recover  static  friction  laws  as  emergent  features  of  our  continuum  model,  without  putting  in  by  hand  any  such  discontinuous  criteria  in  our  model.  Estimates  of  material  parameters  of  cohesion  and  friction  angle  are  deduced.  Short-slip  and  slip-weakening  (crack-like)  behaviors  are  also  reproduced  as  a  function  of  the  degree  of  damage  behind  the  rupture  front.  Moreover,  a  crack  is  driven  towards  the  undamaged  side  with  an  impact  loading,  and  it  is  observed  in  our  numerical  simulations  that  an  upper  bound  to  the  crack  speed  is  the  dilatational  wave  speed  of  the  material,  unless  the  material  is  put  under  pre-stressed  conditions,  when  supersonic  motion  can  be  obtained.  Without  pre-stress,  intersonic  super  shear  is  recovered  under  appropriate  conditions.Fourth,  a  novel  dual  variational  principle  is  developed  for  inverse  and  forward  design  problems  in  the  actuation  of  liquid  crystal  glass  sheets  based  on  the  PDEs  arising  from  continuum  mechanics  ideas.  A  gradient  flow  and  a  Newton-Raphson  algorithm  are  developed  to  obtain  the  approximations  of  critical  point  solutions  of  the  dual  functional,  with  a  consistent  nonlinear  mapping  between  the  primal  and  dual  fields.  In  the  case  of  complicated  design  shapes,  an  elliptic  regularization  of  the  dual  PDE  is  developed,  and  the  solutions  obtained  for  the  regularized  problem  are  used  as  the  initial  guess  for  the  unregularized  problem.  The  solutions  obtained  for  the  inverse  design  problems  of  shapes  such  as  a  hemisphere  and  a  hat  shape  are  computationally  demonstrated  using  this  framework.  The  solutions  obtained  have  less  than  2.5%  error  in  the  L2  norm  of  the  difference  between  the  prescribed  stretches  and  the  computed  principal  stretches  of  the  Right-Cauchy  Green  tensor  of  the  deformation  mapping  the  actuated  and  the  unactuated  shape.Finally,  some  concluding  remarks  on  all  aspects  of  the  work  accomplished  in  this  thesis  are  discussed,  along  with  directions  for  future  work.
■590    ▼aSchool  code:  0041.
■650  4▼aMechanics.
■650  4▼aCivil  engineering.
■650  4▼aComputer  engineering.
■653    ▼aActuation
■653    ▼aFault  friction
■653    ▼aKink-bands
■653    ▼aMembrane  mechanics
■653    ▼aMesoscale  plasticity
■653    ▼aSize  effects
■690    ▼a0346
■690    ▼a0543
■690    ▼a0464
■71020▼aCarnegie  Mellon  University▼bCivil  and  Environmental  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-03B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0041
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2023
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16935287▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
■980    ▼a202402▼f2024

미리보기

내보내기

chatGPT토론

Ai 추천 관련 도서