A series of molecular dynamic (MD), finite element (FE) and ab initio simulations are carried out to establish suitable modeling schemes for the continuum-based analysis of aluminum matrix nanocomposites reinforced with carbon nanotubes (CNTs). From a comparison of the MD with FE models and inferences based on bond structures and electron distributions, we propose that the effective thickness of a CNT wall for its continuum representation should be related to the graphitic inter-planar spacing of 3.4${\AA}$. We also show that shell element representation of a CNT structure in the FE models properly simulated the carbon-carbon covalent bonding and long-range interactions in terms of the load-displacement behaviors. Estimation of the effective interfacial elastic properties by ab initio simulations showed that the in-plane interfacial bond strength is negligibly weaker than the normal counterpart due to the nature of the weak secondary bonding at the CNT-Al interface. Therefore, we suggest that a third-phase solid element representation of the CNT-Al interface in nanocomposites is not physically meaningful and that spring or bar element representation of the weak interfacial bonding would be more appropriate as in the cases of polymer matrix counterparts. The possibility of treating the interface as a simply contacted phase boundary is also discussed.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.34
no.2
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pp.151-156
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2017
Shot peening is widely used to improve the fatigue life and strength of various mechanical parts and an accurate method is important for the prediction of the compressive residual stress caused by this process. A finite element (FE) model with an elliptical multi-shot is suggested for random-angled impacts. Solutions for compressive residual stress using this model and a normal random vertical-impact one with a spherical multi-shot are obtained and compared. The elliptical multi-shot experimental solution is closer to an X-ray diffraction (XRD) than the spherical one. The FE model's peening coverage also almost reaches the experimental one. The effectiveness of the model based on an elliptical shot ball is confirmed by these results and it can be used instead of previous FE models to evaluate the compressive residual stress produced on the surface of metal by shot peening in various industries.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.24
no.4
s.193
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pp.102-108
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2007
The characteristic properties of aluminum, high strength stiffness to weight ratio, good formability, good corrosion resistence, and recycling potential make it the ideal candidate to replace heavier materials in the car to respond to the weight reduction demand within the automotive industry. In this paper, FE simulation was carried out to design an appropriate extrusion die for the automobile control arm. Based on the FE simulation result, a new die design has been proposed for uniform material flow in the cross section of extruded product. And then the welding pressure, extrusion load, and the tendency of mandrel deflection were estimated to verify high quality. In the extrusion experiment, it was possible to produce sound product without defects.
Currently, starting with electric vehicles, the application of ultra-high-strength steel sheets and light metals has expanded to improve mileage by reducing vehicle weight. At a time when internal combustion engine vehicles are rapidly changing to electric vehicles, the application of ultra-high-strength steel is expanding to satisfy both weight reductions and the performance safety of the chassis parts. There is an urgent need to improve the quality of parts without defects. It is particularly difficult to estimate the part formability through the finite element method (FEM) in the burring operation, so product design has been based on the hole expansion ratio (HER) and experience. In this study, design of experiment (DOE), analysis of variance (ANOVA), and regression analysis were combined to optimize the formability by adjusting the process variables affecting the burring formability of ultra-high-strength steel parts. The optimal variables were derived by analyzing the influence of variables and the correlation between the variables through FE analysis. Finally, the optimized process parameters were verified by comparing experiment with simulation. As for the main influence of each process variable, the initial hole diameter of the piercing process and the shape height of the preforming process had the greatest effects on burring formability, while the effect of a lower round of punching in the burring process was the least. Moreover, as the diameter of the initial hole increased, the thickness reduction rate in the burring part decreased, and the final burring height increased as the shape height during preforming increased.
Park, Yuri;Park, Tae-Hee;Lee, Rami;Baek, Jong-sung;Jhee, Kwang-Hwan;Bang, Daesuk
Elastomers and Composites
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v.52
no.3
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pp.201-210
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2017
We studied the antibacterial effect and mechanical properties of PLA composites with in organic porous zeolite-type bacteriocides. The specimens were prepared by an intermeshing co-rotating twin screw extruder using different contents of inorganic bacteriocide. The degree of dispersion of the in organic bacteriocide in the PLA composite was confirmed by FE-SEM. The contents of Ag and Zn in the composite were also investigated by energy dispersive spectroscopy at different concentrations of the inorganic bacteriocide. The antibacterial effects were analyzed by turbidity analysis, shaking culture, and drop-test. The mechanical properties, such as the tensile and flexural properties, impact strength, and physical properties, were also investigated. As the content of inorganic bacteriocide increased, the antibacterial activity was increased, especially against Staphylococcus aureus. Mechanical properties, namely, tensile strength, elongation, flexural strength, and impact strength, tended to decrease with an increase in inorganic bacteriocide content, but the tensile and flexural modulus increased.
An, Gyn-Baek;Yoshida, Satoshi;Ohata, Mitsuru;Toyoda, Masao
Proceedings of the KWS Conference
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2002.10a
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pp.145-150
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2002
It has been well known that ductile fracture of steels is accelerated by triaxial stresses. The characteristics of ductile crack initiation in steels are evaluated quantitatively using two-parameters criterion based on equivalent plastic strain and stress triaxiality. It has been demonstrated by authors using round-bar specimens with circumferential notch in single tension that the critical strain to initiate ductile crack from specimen center depends considerably on stress triaxiality, but surface cracking of notch root is in accordance with constant strain condition. In order to evaluate the stress/strain state in the specimens, especially under dynamic loading, a thermal, elastic-plastic, dynamic finite element (FE) analysis considering the temperature rise due to plastic deformation has been carried out. This study provides the fundamental clarification of the effect of strength mismatching, which can elevate plastic constraint due to heterogeneous plastic straining, loading mode and loading rate on critical condition to initiate ductile crack from notch root using equivalent plastic strain and stress triaxiality based on the two-parameter criterion obtained on homogeneous specimens under static tension. The critical condition to initiate ductile crack from notch root for strength mismatched bend specimens under both static and dynamic loading would be almost the same as that for homogeneous tensile specimens with circumferential sharp notch under static loading.
In this paper, an innovative technique for finite element (FE) modeling of steel tube-confined concrete (STCC) columns with active confinement under axial compressive loading is presented. In this method, a new constitutive model for the stress-strain relationship of actively-confined concrete is proposed. In total, 14 series of experimental STCC stub columns having active confinement were modeled using the ABAQUS software. The results obtained from the 3D model including the compressive strength at the initial peak point and failure point, as well as the axial and lateral stress-strain curves were compared with the experimental results to verify the accuracy of the 3D model. It was found that there existed a good agreement between them. A parametric study was conducted to investigate the effect of the concrete compressive strength, steel tube wall thickness, and pre-stressing level on the behavior of STCC columns with active confinement. The results indicated that increasing the concrete core's compressive strength leads to an increase in the compressive strength of the active composite column as well as its earlier failure. Furthermore, a reduction in the tube external diameter-to-wall thickness ratio affects the axial stress-strain curve and the confining pressure, while increasing the pre-stressing level has a negligible effect on the two.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2002.10a
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pp.193-197
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2002
In this study, the casting/forging process was applied to the Shift-Fork, a manual transmission part of automobiles. In the casting experiments, the effects of additives, Sr, Ti+B and Mg, on the mechanical properties and the microstructure of a cast preform were investigated. When 0.03% Sr were added into the molten aluminum alloy, the finest silicon-structure was observed in the cast preform and the highest tensile strength and elongation accomplished. And when 0.2% Ti+B were added into the molten Al-Si alloy, the highest values of tensile strength were obtained. The maximum hardness was in case of 0.2% Mg. In the forging experiment, it was confirmed that the optimal configuration of the cast preform could be predicted by FE analysis. To minimize the cost as the press size, the compact shape of preform was proposed to reduce the volume of flash. The modification of shape in designing preform was performed to attain a satisfactory performance in the areas where the mechanical strength were more required. By using FVM(Finite Volume Method) software, it was verified that a proposed casting design was available. To identify the relationship between effective strain and mechanical properties of the final forged product, the compression test was performed. As the result, the tensile strength and elongation of a cast preform were much higher than before forging. The minimum forging temperature was found 40$0^{\circ}C$ to save heating time.
In this study, TiB2-steel composite with high-fractional TiB2 reinforcement was fabricated by gas pressure infiltration process and the microstructure analysis and compressive strength and hardness were evaluated. To elucidate the correlation between microstructure and mechanical properties for fabricated composite, after the compression test of TiB2-steel composite, the fracture surface was analyzed and the fracture behavior on compression test was predicted. As a result of the compression fracture surface analysis, interfacial failure trace between the steel matrix and the reinforcement was observed, and the interface between the steel matrix and the reinforcement was analyzed using TEM. From the result of microstructure analysis on the fabricated composite, it was confirmed that, in addition to TiB2 reinforcement and steel matrix, TiC phase and coarse (Fe,M)2B (M=Cr,Mn) phase were formed. Throughout the thermodynamic calculation, it was confirmed that TiC and (Fe,M)2B can be formed as a stable phase under the process condition. The fabricated TiB2-steel composite had a significantly increased hardness, and the compressive strength and Young's modulus were improved by 3.07 times and 1.95 times, respectively, compared to steel matrix. It seems that the coarse (Fe,M)2B (M=Cr,Mn) phase formed throughout the composite causes the deterioration of mechanical properties, and by controlling the formation of the (Fe,M)2B (M=Cr,Mn) phase, it is judged that the mechanical properties of the TiB2-steel composite can be further improved.
Kim, Sung Hyun;Mo, Sang Yeong;Kim, Si Hyun;Choi, Kyoung Kyu;Kang, Su Min
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.1
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pp.47-57
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2024
Recently, in newly constructed apartment buildings, the exterior wall structures have been characterized by thinness, having various openings, and a significantly low reinforcement ratio. In this study, a nonlinear finite element analysis was performed to investigate the crack damage characteristics of the exterior wall structure. The limited analysis models for a 10-story exterior wall were constructed based on the prototype apartment building, and nonlinear static analysis (push-over analysis) was performed. Based on the finite element (FE) analysis model, the parametric study was conducted to investigate the effects of various design parameters on the strength and crack width of the exterior walls. As the parameters, the vertical reinforcement ratio and horizontal reinforcement ratio of the wall, as well as the uniformly distributed longitudinal reinforcement ratio and shear reinforcement ratio of the connection beam, were addressed. The analysis results showed that the strength and deformation capacity of the prototype exterior walls were limited by the failure of the connection beam prior to the flexural yielding of the walls. Thus, the increase of wall reinforcement limitedly affected the failure modes, peak strengths, and crack damages. On the other hand, when the reinforcement ratio of the connection beams was increased, the peak strength was increased due to the increase in the load-carrying capacity of the connection beams. Further, the crack damage index decreased as the reinforcement ratio of the connection beam increased. In particular, it was more effective to increase the uniformly distributed longitudinal reinforcement ratio in the connection beams to decrease the crack damage of the coupling beams, regardless of the type of the prototype exterior walls.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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