A constitutive model on oorthotropic thermo-elasto-viscoplasticity for fiber-reinforced composite materials Is illustrated, and their thermomechanical responses are predicted with the fully-coupled finite element formulation. The unmixing-mixing scheme can be adopted with the multipartite matrix method as the constitutive model. Basic assumptions based upon the composite micromechanics are postulated, and the strain components of thermal expansion due to temperature change are included In the formulation. Also. more than two sets of mechanical variables, which represent the deformation states of multipartite matrix can be introduced arbitrarily. In particular, the unmixing-mixing scheme can be used with any well-known isotropic viscoplastic theory of the matrix material. The scheme unnecessitates the complex processes for developing an orthotropic viscoplastic theory. The governing equations based on fully-coupled thermomechanics are derived with constitutive arrangement by the unmixing-mixing concept. By considering some auxiliary conditions, the Initial-boundary value problem Is completely set up. As a tool of numerical analyses, the finite element method Is used with isoparametric Interpolation fer the displacement and the temperature fields. The equation of mutton and the energy conservation equation are spatially discretized, and then the time marching techniques such as the Newmark method and the Crank-Nicolson technique are applied. To solve the ultimate nonlinear simultaneous equations, a successive iteration algorithm is constructed with subincrementing technique. As a numerical study, a series of analyses are performed with the main focus on the thermomechanical coupling effect in composite materials. The progress of viscoplastic deformation, the stress-strain relation, and the temperature History are careful1y examined when composite laminates are subjected to repeated cyclic loading.
한국분말야금학회 2006년도 Extended Abstracts of 2006 POWDER METALLURGY World Congress Part 1
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pp.85-86
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2006
A theoretical model is applied to the analysis of thermomechanical properties of $Al-SiC_p$ FGMs in this study. Functionally graded $Al-SiC_p$ composites ($Al-SiC_p$ FGMs) consisted with 10 layers gradually changing volume fractions of Al and $SiC_p$ were fabricated using the pressureless infiltration technique. $Al-SiC_p$ FGMs plates of total thickness of 3mm, 5mm and 7mm with fairly uniform distribution and compositional gradient of $SiC_p$ reinforcement in the Al matrix throughout the thickness was successfully fabricated. The curvature of $Al-SiC_p$ FGM plates was measured to check the internal stress distribution predicted via a theoretical model for the analysis of thermo-mechanical deformation. The evolution of curvature and also internal stresses in response to temperature variations could be predicted for the different combinations of geometric thickness of FGM plates. Theoretical prediction of thermally induced stress distribution makes it possible to design FGM structures without any critical failure during the usage of them.
Volume shrinkage behavior accompanying the cure of resin formulations might be a critical factor when assembly processes using polymer materials are considered. In this study, cure shrinkage behavior with respect to resin formulation type and heating method was measured on sandwich structure samples by a thermomechanical analyzer (TMA). Quartz, used as a cover material for the sandwich structure, indicated the coefficient of thermal expansion close to $0ppm/^{\circ}C$. When a dynamic heating mode was conducted, a squeeze-out region and a cross-linking region for each resin formulation could be separated clearly with overlapping differential scanning calorimeter results on the TMA results. In addition, a cure shrinkage dominant region and a thermal expansion dominant region in the cross-linking region were distinguished. Consequently, the degree of cure at the initiation of the thermal expansion dominant region was successfully measured. Measurement of all resin formulations indicated the thermal expansion behavior exceeded cure shrinkage before full cure.
The B-spline finite strip method is developed for the prediction of the buckling of rectangular composite laminated plates under the combined action of applied uniaxial mechanical stress and increasing temperature. The analysis is conducted in two stages, namely an in-plane stress analysis in the pre-buckling stage to determine the pre-buckling stresses, followed by a buckling analysis using these determined stresses. The buckling analysis is based on the use of first-order shear deformation plate theory. The permitted lay-up of the laminates is quite general, within the constraint that the plate remains flat prior to buckling, and a wide range of boundary conditions can be accommodated. A number of applications is described and comparison of the results generated using the finite strip method is made with the results of previous studies.
The internal residual stresses within the multilayered structure with shan interface induced by the difference in thermal expansion coefficient between the materials of adjacent layers often provide the source of failure such as delamination of interfaces and etc. Recent development of the multilayered structure with functionally graded interface would be the solution to prevent this kind of failure. However a systematic thermo-mechanical analysis is needed fur the customized structural design of multilayered structure. In this study, theoretical model for the thermo-mechanical analysis is developed for multilayered structures of the Al-$SiC_p$ functionally graded composite for electronic packaging. The evolution of curvature and internal stresses in response to temperature variations is presented for the different combinations of geometry. The resultant analytical solutions are used for the optimal design of the multilayered structures with functionally graded interface as well as with sharp interface.
The paper deals with a non-linear finite element analysis of the thermomechanical distortions of an elastomeric O-ring seal including a temperature gradient. Axial compression of O-ring seals, as well as the influence of the temperature gradients and various O-ring seal models, are investigated based on the axisymmetric analysis. The highest temperature occurs near the interface of the O-ring between the dovetail groove bottom and the O-ring seal. The calculated FEM results indicate that the composite O-ring with the diametral ratio, 0.8 shows very stable and recommendable compared with other seal models far elevated temperatures and corrosive environments.
Single-shot laser damage of thin Cr films on glass substrates has been studied to understand the cracking and peeling-off mechanism. A numerical model is developed for the calculation of transient heat transfer and thermal stresses in Cr films during excimer laser irradiation and cooling, the transient temperature, and the stress-strain fields are analyzed by using a three-dimensional finite-element model of heat flow. According to the numerical analysis for the experimentally determined cracking and peeling-off conditions, cracking is found to be the result of the tensile brittle fracture due to the excessive thermal stresses formed during the cooling process, while peeling-off is found to be the combined result of films bulging from the softened glass surface at higher temperature and the tensile brittle fracture during the cooling process.
접촉 현상을 포함하는 완전 연계된 열기계학적 문제에 대한 정확하고 효율적인 해석을 위하여 부영역과 공유면에 근거한 유한요소 정식화 기법을 제안하였다. 부영역과 공유면을 결합하기 위한 등식 적합 조건을 벌칙 함수로 처리함으로써 모든 유효 강성 행렬이 양정치화되며, 역행렬과 같은 각종 수치 연산이 매우 간편하다. 또한 전체 구조 형상이 복잡하더라도 대상 영역을 임의의 부영역으로 분할한 후, 공유면에서의 절점 연속성 등을 고려하지 않고 각 부영역을 독립적으로 유한요소 모델링할 수 있다. 컴퓨터 코드의 개발 및 수치 예제의 해석을 통하여 본 기법에 대한 기본적인 특성을 확인하였다.
In this work, we present the theoretical formulation, operator split solution procedure and partitioned software development for the coupled thermomechanical systems. We consider the general case with nonlinear evolution for each sub-system (either mechanical or thermal) with dedicated time integration scheme for each sub-system. We provide the condition that guarantees the stability of such an operator split solution procedure for fully nonlinear evolution of coupled thermomechanical system. We show that the proposed solution procedure can accommodate different evolution time-scale for different sub-systems, and allow for different time steps for the corresponding integration scheme. We also show that such an approach is perfectly suitable for parallel computations. Several numerical simulations are presented in order to illustrate very satisfying performance of the proposed solution procedure and confirm the theoretical speed-up of parallel computations, which follow from the adequate choice of the time step for each sub-problem. This work confirms that one can make the most appropriate selection of the time step with respect to the characteristic time-scale, carry out the separate computations for each sub-system, and then enforce the coupling to preserve the stability of the operator split computations. The software development strategy of direct linking the (existing) codes for each sub-system via Component Template Library (CTL) is shown to be perfectly suitable for the proposed approach.
본 논문에서는 열분해 및 삭마 환경의 복합재 구조물에 대한 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 열분해 과정의 재료 밀도 감소, 기공 가스 확산, 흡열 반응 에너지와 삭마 과정에서의 표면 침식 효과 등을 고려하였다. 상용 유한요소 코드에 교차 연계 알고리듬을 적용하여 완전 연계된 열 해석 및 구조 해석 인터페이스를 구성하였다. 수치 실험을 통해서 탄소/페놀릭 복합재료의 기본적인 열분해 및 삭마 특성을 분석하였다. 특히, 화학적 및 기계적 삭마에 영향을 미치는 주요 인자에 따른 표면 침식량 등을 비교하였다. 또한, 열분해 과정의 수축 또는 팽창 변형도가 재료의 열기계적 거동에 미치는 영향도 검토하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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