The classical multiscale finite element (FE2 ) method involves iterative calculations of micro-boundary value problems for representative volume elements at every integration point in macro scale, making it a computationally time and data storage space. To overcome this, we developed the data-driven multiscale analysis method based on the mean-field homogenization (MFH). Data-driven computational mechanics (DDCM) analysis is a model-free approach that directly utilizes strain-stress datasets. For performing multiscale analysis, we efficiently construct a strain-stress database for the microstructure of composite materials using mean-field homogenization and conduct data-driven computational mechanics simulations based on this database. In this paper, we apply the developed multiscale analysis framework to an example, confirming the results of data-driven computational mechanics simulations considering the microstructure of a hyperelastic composite material. Therefore, the application of data-driven computational mechanics approach in multiscale analysis can be applied to various materials and structures, opening up new possibilities for multiscale analysis research and applications.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.1
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pp.13-20
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2008
Graded layers in which two different constituent particles are mixed are inserted into functionally graded material such that the volume fractions of constituent particles vary continuously and functionally over the entire material domain. The material properties of this dual-phase graded region, which is essential for the numerical analysis of the thermo-mechanical behavior of FGM, have been predicted by traditional homogenization methods. But, these methods are limited to predict the global equivalent material properties of FGMs because the detailed geometry information such as the particel shape and the dispersion structure is not considered. In this context, this study intends to investigate the characteristics of these homogenization methods through the finite element analysis utilizing the discrete micromechanics models of the graded layer, for various volume fractions and external loading conditions.
In this study, homogenization method combined with the effective interface model for the characterization of properties of the nanoparticulate composites is developed. In order to characterize particle size effect of nanocomposites, effective interface model has been developed. The application range of analytical micromechanics approach is limited because a simple analytical approach is valid only for simple and uniform geometry of fiber particles. Therefore this study focuses on the analysis of mechanical properties of the effect interface through the continuum homogenization method instead of using analytical micromechanics approach. Using the homogenization method, elastic stiffness properties of the effective interface are numerically evaluated and compared with the analytically obtained micromechanics solutions. The suggested homogenization method is expected to be applied to optimization problems for nanocomposite design.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.23
no.5
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pp.75-89
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2019
In the present work, structural analyses for light weight corrugate 3 layered sandwich panels are carried out. The mechanical properties of the sandwich panels are obtained using the modified analytical closed form based on a corrugated panel deformation and the homogenization scheme of an uniaxial composite. Subsequently, the mechanical properties estimated by the two aforementioned methods were employed for the numerical analyses for the corrugated sandwich panels under the specifically loading conditions, and a comparison between two methods was also made.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.5
no.1
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pp.83-95
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2002
Thermal conductivity of ceramic fibrous insulator was analysed and predicted by using the modeling/simulation technique. Ceramic fibrous insulators are widely used as high temperature insulator on account of their lightweight mass and heat resisting properties. Especially it is suitable to protect the high speed aircraft and missiles from severe aero-thermodynamic heating. Thermal conductivity of ceramic fibrous insulator could be determined from the conductive heat transfer and the radiative heat transfer through the insulator. In order to estimate conductive thermal conductivity, homogenization technique was applied, while radiative thermal conductivity was computed by means of random number and radiation probability. Particularly radiation probability can make it possible to estimate the conductivity of fibrous insulator without any experimental constant. The calculated conductivity predicted in the present study have a reasonable accuracy with an average error of 7 percent to experimental data.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.14
no.4
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pp.495-503
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2001
In a functionally graded materials(FGM), two constituent material particles are mixed up according to a specific volume fraction distribution so that its thermoelastic behavior is definitely characterized by such a material composition distribution. Therefore, the designer should determine the most suitable volume fraction distribution in order to design a FGM that optimally meets the desired performance against the given constraints. In this paper, we address a numerical optimization procedure, with employing interior penalty function method(IPFM) and FDM, for optimizing 2D volume fractions of heat-resisting FGMs composed of metal and ceramic. We discretize a FGM domain into finite number of homogenized rectangular cells of single design variable in order for the optimization efficiency. However, after the optimization process, we interpolate the discontinuous volume fraction with globally continuous bilinear function in order to enforce the continuity of volume fraction distributions.
In this paper, damage induced acoustic emission in the composite plate in numerically simulated by using the three dimensional finite element method and explicit time integration. Acoustic source is modeled by equivalent volume source. To verify the proposed method, dynamic displacements due to the elastic wave are compared with the experiment when the fiber is broken in the single fiber embedded isotropic plate. For the laminated composite plates, the results are compared between homogenized model and DNS approach which models fibers and matrix separately. To capture high frequencies in the elastic wave, small time step size and a large number of meshes are required. The parallel computing technology is introduced to solve a large scale problem efficiently.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.48
no.9
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pp.663-670
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2020
A study on mechanical property characterization and modeling technique was carried out to approximate the behaviour of structures with 2.5D C/SiC material. Several tensile tests were performed to analyze the behaviour characteristics of the 2.5D C/SiC material and elastic property was characterized by applying a mathematical homogenization and a modified rule of mixture. SiC matrix representing the elasto-plastic behavior approximates as a bilinear function. Then the equivalent yield strength and equivalent plastic stiffness were calculated by minimizing errors in experiment and approximation. RVE(Representative Volume Element)was defined from the fiber and matrix configuration of 2.5D C/SiC and a process of calculating the effective stiffness matrix by applying the modified rule of mixture to RVE was implemented in the ABAQUS User-defined subroutine. Finite element analysis was performed by applying the mechanical properties of fiber and matrix calculated based on the proposed process, and the results were in good agreement with the experimental results.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.21
no.3
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pp.323-345
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2019
It is essential to predict ground conditions ahead of a tunnel face in order to successfully excavate tunnels using a shield TBM. This study proposes a forward prediction method for a mixed soil ground and/or a ground containing core stones by using electrical resistivity and induced polarization exploration. Soil conditioning in EPB shield TBM is dependent upon the composition of mixed soils; a special care need to be taken when excavating the core-stoned soil ground using TBM. The resistivity and chargeability are assumed to be measured with four electrodes at the tunnel face, whenever the excavation is stopped to assemble one ring of a segment lining. Firstly, the mixed ground consisting of weathered granite soil, sand, and clay was modeled in laboratory-scale experiments. Experimental results show that the measured electrical resistivity considerably coincides with the analytical solution. On the other hand, the induced polarization has either same or opposite trend with the measured resistivity depending on the mixed ground conditions. Based on these experimental results, a method to predict the mixed soil ground that can be used during TBM tunnel driving is suggested. Secondly, tunnel excavation from a homogeneous ground to a ground containing core stones was modeled in laboratory scale; the irregularity of the core stones contained in the soil layer was modeled through random number generation scheme. Experimental results show that as the TBM approaches the ground that contains core stones, the electrical resistivity increases and the induced polarization fluctuates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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