The composition of most engineering materials is heterogeneous at some degree. It is simply a question of scale at which the level of heterogeneity becomes apparent. In the case of cementitious granular materials such as concrete the heterogeneity appears at the mesoscale where it is comprised of aggregate particles, a hardened cement paste and voids. Since it is difficult to consider each separate particle in the topological description explicitly, numerical models of the meso-structure are normally confined to two-phase matrix particle composites in which only the larger inclusions are accounted for. 2-D and 3-D concrete blocks(Representative Volume Element, RVE) are used to simulating heterogeneous concrete meso-structures in the form of aggregates in the hardened mortar with nearly zero-thickness linear or planar interfaces. The numerical sensitivity of these meso-structures are Investigated with respect to the different morphologies of heterogeneity and the different level of coupling constant among fracture mode I, II and III. In addition, a numerically homogenized concrete block in 3-D using Hashin-Shtrikman variational bounds provides an evidence of the effective cracking paths which are quite different with those of heterogenous concrete block. However, their average force-displacement relationship show a pretty close match each other.
As a basic study for investigating the development of the stress-induced crack in Hoek-Brown rock, a homogenization technique of elastic cracks is proposed. The onset of crack is monitored by Hoek-Brown empirical criterion, while the orientation of the crack is determined by the critical plane approach. The concept of volume averaging in stress and strain component was invoked to homogenize the representative rock volume which consists of intact rock and cracks. The formulation results in the constitutive relations for the homogenized equivalent anisotropic material. The homogenization model was implemented in the standard FEM code COSMOSM. The numerical uniaxial tests were performed under plane strain condition to check the validity of the propose numerical model. The effect of friction between the loading plate and the rock sample on the mode of deformation and fracturing was examined by assuming two different contact conditions. The numerical simulation revealed that the homogenized model is able to capture the salient features of deformation and fracturing which are observed commonly in the uniaxial compression test.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2009.11a
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pp.11-11
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2009
본 연구는 MLCC 제조공정중 그린상태에서의 강도를 유지하기 위한 고분자 바인더의 거동을 예측하고, 제조공정중 나타난 가열후 수축 현상을 규명하고자 하였다. 이를 위해 메커니즘에 대한 가설을 수립하고 이를 여러가지 분석기법과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인하였으며, 현장의 제조기술 부문에서 용이하게 사용할 수 있도록 간단한 수학적 모델링으로 표현하였다. 수학적 모델링은 제품을 이용한 실험과 비교하여 정확도를 검증하였으며, 이러한 해석기법은 대표체적요소(representative volume element)을 이용하여 MLCC 그린바 (Bar)의 해석까지 가능하도록 응용범위를 향상시켰다.
Porosity in polymer matrix composites increases rapidly during thermochemical decomposition at high temperatures. The generation of pores reduces elastic moduli and failure strengths of composite materials, and gas pressures in internal pores influence thermomechanical behaviors. In this paper, micromechanical finite element analysis is carried out by using two-dimensional representative volume elements for unidirectionally fiber-reinforced composites with porous matrix. According to the state of the pores, effective elastic moduli, poroelastic parameters and failure strengths of the overall composites are investigated in detail. In particular, it is confirmed that the failure strengths in the transvers and through-thickness directions are predicted much more weakly than the strength of nonpored matrix, and decrease consistently as the porosity of matrix increases.
Kim, Jihwan;Lee, Ji-Hyeong;Jang, Hoyoung;Joo, Young Seok
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2021.06a
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pp.27-27
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2021
세굴은 유체와 유사의 상호작용으로 발생하는 중요한 자연 현상 중 하나로, 구조 및 지반 붕괴, 홍수, 생태계 파괴 등의 문제를 야기할 수 있다. 이러한 세굴 현상을 예측하기 위해 많은 수치적 연구가 진행되어왔지만, 대부분의 연구가 기존 격자기반방법인 유한체적법 (FVM)과 개별요소법 (DEM)이 연성된 모델을 이용하였고, 이는 격자 의존도로 인한 정확도와 효율성의 문제점을 보였다. 해결책으로 입자기반 유체해석 방법인 약압축성 SPH (WCSPH)와 개별요소법의 결합모델을 이용한 모의가 연구되어 왔지만, 단순 밀도차를 활용한 유체해석방법이 압력의 불안정성을 야기하여 유사의 운동에도 영향을 주는 결과를 보였다. 또한, 개별요소법의 특성상 모의 입자의 크기를 실제 실험 입자의 크기와 동일하게 설정하면서 입자수가 지나치게 증가해 계산의 효율성이 현저히 낮아지게 되었고, 이로 인해 실제 자연 지형에 적용하는데 어려움을 보여주었다. 본 연구에서는 향상된 세굴 수치모의해석을 위해 반복법을 통해 안정적인 유체 압력을 계산하는 비압축성 SPH (ISPH)와 개별요소법을 연성한 ISPH-DEM 모델을 사용하였다. 또한, 계산속도 향상을 위해 하나의 입자가 다수의 작은 입자의 움직임을 대표하는 Coarse-grained 방법을 적용하여 기존 모델을 개선하였다. 개선된 모델을 NFLOW ISPH PURPLE 소프트웨어를 이용하여 세굴 현상을 수치 모의하였고 실험 결과와 검증을 진행한 결과, 세굴의 깊이, 너비, 형상 등을 비교하였을 때 약 10% 이내의 오차를 보였고, Coarse-grained 방법을 통한 입자 수 감소로 최소 13배 증가된 해석 속도를 보였다. 이를 통해 본 연구에서 제시된 모델이 실제 자연 지형에서의 적용가능성을 확인할 수 있었다.
Jang, Kyung Suk;Kim, Tae Ri;Kim, Jeong Hwan;Yun, Gun Jin
Composites Research
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v.35
no.3
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pp.188-195
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2022
This paper proposes a multiscale process-structural analysis methodology and applies to a battery housing part made of the short fiber-reinforced and fabric-reinforced composite layers. In particular, uncertainties of the material properties within the microscale representative volume element (RVE) were considered. The random spatial distribution of matrix properties in the microscale RVE was realized by the Karhunen-Loeve Expansion (KLE) method. Then, effective properties of the RVE reflecting on spatially varying matrix properties were obtained by the computational homogenization and mapped to a macroscale FE (finite element) model. Morever, through the hybrid process simulation, a FE (finite element) model mapping residual stress and fiber orientation from compression molding simulation is combined with one mapping fiber orientation from the draping process simulation. The proposed method is expected to rigorously evaluate the design requirements of the battery housing part and composite materials having various material configurations.
Proceedings of the Korean Society for Rock Mechanics Conference
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2000.09a
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pp.129-137
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2000
This paper presents groundwater flow characteristics in discontinuous rock mass using fracture network program(NAPSAC) by statistical approach. Equivalent permeability coefficients are estimated from borehole data around Mabuk test tunnel site and fracture map on the arch of the tunnel. The reliability of fracture network model is obtained from determination of input data for statistical fracture network analysis from the real data(data of fracture network, data of hydraulic tests). The variation of permeability and mean anisotropic permeability coefficients are calculated from the realized model by increasing the size. As a result of analysis, a strong anisotropy of permeability is observed according to the direction of the fracture sets around the test tunnel.
This paper presents groundwater flow characteristics in discontinuous rock mass using fracture network program(NAPSAC) by statistical approach. Equivalent permeability coefficients are estimated from borehole data around Mabuk test tunnel site and fracture map on the arch of the tunnel. The reliability of fracture network model is obtained from determination of input data for statistical fracture network analysis from the real data(data of fracture network, data of hydraulic tests). The variation of permeability and mean anisotropic permeability coefficients are calculated from the realized model by increasing the size. As a result of analysis, a strong anisotropy of permeability is observed according to the direction of the fracture sets around the test tunnel.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.3
s.246
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pp.260-268
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2006
The micromechanical approach was used to investigate the interfacial strain distributions of a unidirectional composite under transverse loading in which fibers were usually found to be randomly packed. Representative volume elements (RVE) for the analysis were composed of both regular fiber arrays such as a square array and a hexagonal array, and a random fiber array. The finite element analysis was performed to analyze the normal, tangential and shear strains at the interface. Due to the periodic characteristics of the strain distributions at the interface, the Fourier series approximation with proper coefficients was utilized to evaluate the strain distributions at the interface for the regular and random fiber arrays with respect to fiber volume fractions. From the analysis, it was found that the random arrangement of fibers had a significant influence on the strain distribution at the interface, and the strain distribution in the regular fiber arrays was one of special cases of that in the random fiber array.
This study quantitatively evaluated and investigated the changes in transverse tensile strength of unidirectional fiber-reinforced composites with initial void defects using a Representative Volume Element (RVE) model. After calculating the appropriate sample size based on margin of error and confidence level for initial void defects, a sample group of 5000 RVE models with initial void defects was generated. Dimensional reduction and density-based clustering analysis were conducted on the sample group to assess similarity, confirming and verifying that the sample group was unbiased. The validated sample analysis results were represented using a Weibull distribution, allowing them to be applied to the reliability analysis of composite structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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