The present paper is aimed to evaluate and compare the effective elastic properties of CNT- and graphene-based nanocomposites using 3-D nanoscale representative volume element (RVE) based on continuum mechanics using finite element method (FEM). Different periodic displacement boundary conditions are applied to the FEM model of the RVE to evaluate various elastic constants. The effects of the matrix material, the volume fraction and the length of reinforcements on the elastic properties are also studied. Results predicted are validated with the analytical and/or semiempirical results and the available results in the literature. Although all elastic stiffness properties of CNT- and graphene-based nanocomposites are found to be improved compared to the matrix material, but out-of-plane and in-plane stiffness properties are better improved in CNT- and graphene-based nanocomposites, respectively. It is also concluded that long nanofillers (graphene as well as CNT) are more effective in increasing the normal elastic moduli of the resulting nanocomposites as compared to the short length, but the values of shear moduli, except $G_{23}$ of CNT nanocomposite, of nanocomposites are slightly improved in the case of short length nanofillers (i.e., CNT and graphene).
An analytical model has been developed to predict the elastic properties of a filled resin reinforced by chopped fibers, a three-phase composite such as a filled sheet molding compound(SMC). In the model the matrix material and fillers form an effective matrix. The effective matrix is then considered to be reinforced with long fibers lying in the sheet plane but randomly oriented in the plane. Expressions for the resulting transversely isotropic composite properties are explicitly presented. Using this model, the Young's and shear moduli are calculated for the SMC sample with filler weight fraction of 35% and fiber content of 30%. The same properties are also determined experimentally. The agreement between the calculated and measured elastic moduli is found to be very good for the in-plane properties. However, the out-of-plane properties show a large difference because the effect of voids is not taken into account in the model.
In this study. stress-strain relationships were investigated by performing the confined extension tests for seven types of geosynthetics such as geotextiles, composite geosynthetics and geogrids. A comparison was made between unconfined and confined moduli for each geosynthetic material to quantify the soil confinement effect on stress-strain properties. A comparison was also made between the increase of moduli at the same strain level with the types of the geosynthetics to demonstrate the different stress-strain responses. Based on the result of the extension tests, the higher the confining stress, the larger the secant modulus of geosynthetics. The secant modulus at 5% strain is twice as much as that of 10% strain, especially there is a noticeable increasing of secant modulus for the two nonwoven geotextiles.
Braided carbon fiber reinforced Al matrix composites were developed and characterized. Braided carbon fiber preforms with braiding angles of $30^{\circ}$, $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$ were manufactured by using a braiding machine. The manufactured braided carbon fibers were used as reinforcement to fabricate Al matrix composites by employing a pressure infiltration casting method. In the processing of pressure infiltration casting, important processing parameters such as melting temperature, preheating temperature of preform and applied pressure were optimized. Prediction of elastic constants on composites was performed by using the volume averaging method, which utilizes the coordinate transformation and the averaging of stiffeness and compliance constants based upon the volume of each reinforcement and matrix material. The elastic moduli of composites were evaluated by using Resonant Ultrasound Spectroscopy(RUS) method and compared with the elastic moduli obtained from static tensile test method.
The torsion of a penny-shaped crack in a transversely isotropic strip is investigated in this paper. The shear moduli are functionally graded in such a way that the mathematics is tractable. Hankel transform is used to reduce the problem to solving a Fredholm integral equation. The crack tip stress field is obtained by taking the asymptotic behavior of Bessel function into account. The effects of material property parameters and geometry criterion on the stress intensity factor are investigated. Numerical results show that increasing the shear moduli's gradient and/or increasing the shear modulus in a direction perpendicular to the crack surface can suppress crack initiation and growth, and that the stress intensity factor varies little with the increasing of the strip's height.
Carbon nanotube is a geometrical frame-like structure and the primary bonds between two nearest-neighboring atoms act like beam members, whereas an individual atom acts as the joint of the related beam members. The sectional property parameters of these beam members are obtained from molecular mechanics. Computations of the elastic deformation of single-walled carbon nanotubes reveal that the Young's moduli of carbon nanotubes vary with the tube diameter and are affected by their helicity. With increasing tube diameter, the Young's moduli of carbon nanotubes approach the Young's modulus of graphite.
An uncoupled computational model for analyzing the hygrothermal dynamic response of composite laminates has been developed. The constitutive equations, expressed in an integral form, and involving relaxation moduli are adopted, to describe the non-aging hygrothermorheologically simple materials. A Prony series represents the relaxation moduli is exploited in order to derive a recursive relationship, and thereby eliminate the storage problem that arises when dealing with material possessing memory. The problem is formulated in a descritized variational form. Mindlin and higher order finite elements are employed for spatial descretization, while the Newmark average acceleration scheme is exploited for temporal descritization. The adopted recursive formula uses only the details of the previous event to compute the details of the current one. Numerical results of the displacement fields of both thin and thick viscoelastic laminates problems are discussed to show up the effectiveness of Mindlin and higher-order shear theories.
본 논문에서는 CNT강화 에폭시 복합재의 열기계적 거동을 예측하고 그 경향을 분석하기 위해 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 해석을 수행하였다. 에폭시 내부 CNT의 체적비율을 0~25%까지 총 6개의 모형을 구성하였다. 열적 거동을 보기 위해 300~600 K까지 일정하게 온도를 상승시켰으며, 온도와 비체적 관계를 이용하여 유리전이 온도와 열팽창 계수를 산출하였다. 또한 일정 변형도 하중을 통해 탄성 계수를 산출하여 기계적 거동을 예측하였다. 추가적으로 CNT의 표면처리에 따른 기계적 거동을 분석하였다. 질소 도핑 및 COOH, OH 그룹을 처리한 3개의 모형을 구성하였으며, 각 모형의 탄성 계수 및 경계면 거동에 대한 해석을 수행하였다. 이를 통해 에폭시 내부 CNT의 응집은 열기계적 거동에 교란을 가지고 올 수 있으며, 표면처리는 복합재의 기계적 물성뿐만 아니라 경계면 특성까지도 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제9권3호
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pp.64-67
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2008
This study investigated the influence of composite resins with different elastic moduli and occlusal loading conditions on the stress distribution of restored notch-shaped non-carious cervical lesions (NCCL) using 3D finite element analysis. Two different materials, Tetric Flow and Z100, were used as representative flowable hybrid resins for the restoration of NCCL. A static point load of 500 N was applied at the buccal and palatal cusps. The ratios of stress reduction to energy dissipation were better in the compressive state than the tensile state regardless of the restorative material. The total dissipation ratios for Tetric Flow were 1.5% and 4.2% larger than those for Z100 under compression and tension, respectively. Therefore, tensile stress poses more of a risk for tooth fracture, and Tetric Flow is a more appropriate material for restoration.
This paper introduces a novel approach to multi-material topology optimization (MTO) targeting in-plane bi-directional functionally graded (IBFG) non-uniform thickness Reissner-Mindlin plates, employing an alternative active phase approach. The mathematical formulation integrates a first shear deformation theory (FSDT) to address compliance minimization as the objective function. Through an alternating active-phase algorithm in conjunction with the block Gauss-Seidel method, the study transforms a multi-phase topology optimization challenge with multi-volume fraction constraints into multiple binary phase sub-problems, each with a single volume fraction constraint. The investigation focuses on IBFG materials that incorporate adequate local bulk and shear moduli to enhance the precision of material interactions. Furthermore, the well-established mixed interpolation of tensorial components 4-node elements (MITC4) is harnessed to tackle shear-locking issues inherent in thin plate models. The study meticulously presents detailed mathematical formulations for IBFG plates in the MTO framework, underscored by numerous numerical examples demonstrating the method's efficiency and reliability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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