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.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.29
no.3
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pp.43-48
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2022
In this study, simulation method was developed to improve the accuracy of the warpage simulation based on the equivalent anisotropic viscoelastic model. First, a package with copper traces and bumps was modeled to implement anisotropic viscoelastic behavior. Then, equivalent anisotropic viscoelastic properties and thermal expansion coefficient for the bump region were derived through the representative volume element model. A thermal cycle of 0 to 125 degrees was applied to the package based on the derived mechanical properties, and the warpage according to the thermal cycle was simulated. To verify the simulation results, the actual package was manufactured, and the warpage with respect to the thermal cycle was measured through shadow moiré interferometer. As a result, by applying the equivalent anisotropic viscoelastic model, it was possible to calculate the warpage of the package within 5 ㎛ error and predict the shape of the warpage.
This study suggests the prediction algorithm for transverse permeability, represented the flow resistance during the manufacturing process of composite, of unidirectional continuous fiber reinforced plastics. The cross-sectional shape of representative volume element (RVE) is considered to reflect fiber arrangement. The equivalent length is used as a factor to express the change of resin flow according to fiber arrangement. The permeability prediction algorithm is created by grafting the Electro-Hydraulic analogy and validity is confirmed. The code for permeability prediction was composed by means of MATLAB and Python, flow analysis was performed by using FLUENT. The algorithm was verified as the permeability results obtained through Algorithm and numerical analysis were almost identical to each other, and the calculation time was reduced around 1/450 compared to the numerical analysis.
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 Korea Society of Computer and Information
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v.29
no.8
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pp.59-65
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2024
In this paper, we present a GPU-based acceleration of computationally intensive self-collision processing in triangular mesh-based cloth simulation. For Compute Unified Device Architecture (CUDA)-based parallel optimization, we propose 1) an efficient way to build, update, and traverse the Bounding Volume Hierarchy (BVH) tree on the GPU, and 2) optimize the Representative-Triangle (R-Triangle) technique on the GPU to minimize primitive collision checking in triangular mesh-based cloth simulations. As a result, the proposed method can handle self-collisions and object collisions of cloth simulation in GPU environment faster and more efficiently than CPU-based algorithms, and experiments on various scenes show that it can achieve simulation results that are 5x to 10x faster. Since the proposed method is optimized for BVH on GPU, it can be easily integrated into various algorithms and fields that utilize BVH.
Sojan Andrews Zachariah;Dayananda Pai K;Padmaraj N H;Satish Shenoy Baloor
Advances in materials Research
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v.13
no.5
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pp.391-416
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2024
Hybrid composite materials are widely used in various load-bearing structural components of micro - mini UAVs. However, the design of thin laminates for better impact resistance remains a challenge, despite the strong demand for lightweight structures. This work aims to assess the low-velocity impact (LVI) behaviour of thin quasi-isotropic woven carbon/ aramid epoxy hybrid laminates using experimental and numerical techniques. Drop tower impact test with 10 J and 15 J impact energies is performed on carbon/epoxy laminates having aramid layers at different sequences and locations. The impact behaviour is experimentally evaluated using force-time, force-deformation, and energy-time histories considering delamination threshold load, peak load, and laminate deflection. Ultrasonic C-scan is performed on the post-impact samples to analyse the insidious damage profile at different impact energies. The experimental data is further utilized to numerically simulate LVI behaviour by employing the representative volume element model. The numerical results are in good agreement with the experimental data. Numerical and experimental approach predicts that the hybrid laminates with aramid layers at both impact and non-impact sides of the laminate exhibits significant improvement in the overall impact behaviour by having a subcritical damage morphology compared to carbon/epoxy laminate. A combined numerical-experimental approach is proposed for evaluating the effective impact performance.
In this paper, statistical volume element modeling method was developed for multi-scale progressive failure analysis of fiber reinforced composite materials. Big-size statistical volume elements (BSVEs) was considered to minimize the size effect in the micro-scale, by including as many fibers as possible. For that purpose, a mesh cutting method is suggested and adapted into the fiber model generator that creates finite element domain rapidly. The fiber defect model was also developed based on the experimental distribution of the fiber strength. The size effects from the local load sharing (LLS) are evaluated by increasing the fiber inclusion in the micro-scale model. Finally, continuum damage mechanics (CDM) model to the fiber direction was extracted from numerical analysis on BSVEs. And it was compared with strength prediction from typical representative volume element (RVE) model.
Purpose: Implant-based breast reconstruction has multiple advantages such as decreased morbidity, shorter operative time and faster recovery. However, postoperative infection with tissue expander increases medical cost and causes a delay in concurrent antineoplastic treatment. To reduce tissue expander infection, it is important to identify related risk factors and minimize them when possible. Methods: A retrospective review of patient records in a single breast cancer center was performed. Eighty-six tissue expanders were placed in 80 women for postmastectomy breast reconstruction. Variables including patients'age, body mass index (BMI), preoperative breast volume, operation time, drain indwelling time, postoperative seroma/hematoma formation, chemotherapy, and radiation therapy were evaluated. Infection was defined as the status that shows any symptom of local inflammation and identification of pathogens. Representative values were compared through Student's t-test and univariate and multivariate analyses. Results: We examined 86 postmastectomy tissueexpanders which were placed between June 2004 and April 2010. Seven cases of tissue expander infection (8.1%) were identified. The infected tissue expander was removed in three of the cases. The relationship between BMI, and preoperative breast volume and that between infection and non-infection groups were significant ($p$ <0.05). Univariate analysis showed significant association between BMI ($p$=0.023) and preoperative breast volume ($p$=0.037). Multivariate analysis revealed that BMI and preoperative breast volume were independent variables regarding tissue expander infection. Conclusion: Certain characteristics of implant-based breast reconstruction patients increase infection rate of tissue expander. These risk factors should be monitored and evaluated before surgeries for more successful outcome.
This paper develops a 3D homogenization based continuum damage mechanics (HCDM) model for fiber reinforced composites undergoing micromechanical damage under monotonic and cyclic loading. Micromechanical damage in a representative volume element (RVE) of the material occurs by fiber-matrix interfacial debonding, which is incorporated in the model through a hysteretic bilinear cohesive zone model. The proposed model expresses a damage evolution surface in the strain space in the principal damage coordinate system or PDCS. PDCS enables the model to account for the effect of non-proportional load history. The loading/unloading criterion during cyclic loading is based on the scalar product of the strain increment and the normal to the damage surface in strain space. The material constitutive law involves a fourth order orthotropic tensor with stiffness characterized as a macroscopic internal variable. Three dimensional damage in composites is accounted for through functional forms of the fourth order damage tensor in terms of components of macroscopic strain and elastic stiffness tensors. The HCDM model parameters are calibrated from homogenization of micromechanical solutions of the RVE for a few representative strain histories. The proposed model is validated by comparing results of the HCDM model with pure micromechanical analysis results followed by homogenization. Finally, the potential of HCDM model as a design tool is demonstrated through macro-micro analysis of monotonic and cyclic damage progression in composite structures.
Experimental examinations for evaluating fracutres were conducted by using transparent replicas of a single fracture in order to obtain the fracture data to contribute to the methodlogy on how to improve the definitaion of representative parameter values used for a parallel plate fracture model. Quantitative aperture distribution and quantitative tracer concentration data at each point in time were obtained by measuring the attenuation of transmitted light through the fracture in high spatial resolution. the representative aperture values evaluated from the multiple different measurement methods, such as arithmetic mean of aperture distribution measured by the optical method, transport aperture evaluated from the tracer test, and average aperture evaluated from the fracture void volume measurement converged to a unique value that indicates the accuracy of this experimental study. The aperture data was employed for verifying the numerical simulation under the assuption of Local Cubic Law and showed that the calculated flow rate through the fracture is 10%-100% larger than hydraulic test results. The quantitative tracer concentration data is also very valuable for validating existing numerical code for advection dispersion transport in-plane heterogeneous fractures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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