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Xiaofeng Yang
Author with expertise in Phase-Field Modeling of Microstructure Evolution
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Linear, first and second-order, unconditionally energy stable numerical schemes for the phase field model of homopolymer blends

Xiaofeng YangOct 2, 2016
In this paper, we develop a series of efficient numerical schemes to solve the phase field model for homopolymer blends. The governing system is derived from the energetic variational approach of a total free energy, that consists of a nonlinear logarithmic Flory–Huggins potential, and a gradient entropy with a concentration-dependent de-Gennes type coefficient. The main challenging issue to solve this kind of models numerically is about the time marching problem, i.e., how to develop suitable temporal discretizations for the nonlinear terms in order to preserve the energy stability at the discrete level. We solve this issue in this paper, by developing the first and second order temporal approximation schemes based on the “Invariant Energy Quadratization” method, where all nonlinear terms are treated semi-explicitly. Consequently, the resulting numerical schemes lead to a symmetric positive definite linear system to be solved at each time step. The unconditional energy stabilities are further proved. Various numerical simulations of 2D and 3D are presented to demonstrate the stability and the accuracy of the proposed schemes.
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Numerical approximations for a phase field dendritic crystal growth model based on the invariant energy quadratization approach

Jia Zhao et al.Sep 8, 2016
Summary We present two accurate and efficient numerical schemes for a phase field dendritic crystal growth model, which is derived from the variation of a free‐energy functional, consisting of a temperature dependent bulk potential and a conformational entropy with a gradient‐dependent anisotropic coefficient. We introduce a novel Invariant Energy Quadratization approach to transform the free‐energy functional into a quadratic form by introducing new variables to substitute the nonlinear transformations. Based on the reformulated equivalent governing system, we develop a first and a second order semi‐discretized scheme in time for the system, in which all nonlinear terms are treated semi‐explicitly. The resulting semi‐discretized equations consist of a linear elliptic equation system at each time step, where the coefficient matrix operator is positive definite and thus, the semi‐discrete system can be solved efficiently. We further prove that the proposed schemes are unconditionally energy stable. Convergence test together with 2D and 3D numerical simulations for dendritic crystal growth are presented after the semi‐discrete schemes are fully discretized in space using the finite difference method to demonstrate the stability and the accuracy of the proposed schemes. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.
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Low-Cycle Fatigue Behaviour of Stainless-Clad Bimetallic Steel Welded Connections

Xiaofeng Yang et al.Jun 6, 2024
The stainless-clad (SC) bimetallic steel is the most widely used laminated high-performance steel in construction, which often offers a variety of prominent structural performance and competitive advantages. Welding with electrodes of suitable mechanical properties and corrosion resistance is vital for SC bimetallic steel structures to ensure a complete corrosion-resistant surface. However, the research on welded connections under cyclic actions is very limited. Many recommendation designs and current standards for SC bimetallic steel are primarily developed for precision equipment, and they are not suitable for structural engineering. To this end, this paper aims to investigate the low-cycle fatigue behaviour of butt welded connections with different welding configurations for the SC bimetallic steel. Failure modes, cyclic characteristics and Masing behaviour of typical welded connections were analysed, and the low-cyclic fatigue behaviour was validated using the Basquin-Coffin-Manson model. A new proposed strain energy-based model was also proposed to describe. Differences in the low-cycle fatigue behaviour between the welded connections and the base bimetal were demonstrated, as well as that for various welding configurations. It was found that the low-cycle fatigue life of the welded connections with a transition weld zone is similar to that of these welded connections without a transition weld zone, both being about 60% to 80% of the base bimetal's fatigue life. However, the fatigue life of the welded connection with a single filler material is much shorter than that of the previous two, being only 15% to 30% of that of the base bimetal. It should be noted that both the adapted Basquin-Coffin-Manson model and the newly proposed strain energy-based model may predict well the low-cycle fatigue life of the three welded connections. Finally, the transition weld zone in these welded connections is recommended to be eliminated in order to simplify the welding procedures, and hence to improve welding efficiency.
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