The goal of this paper is to develop a computational method to predict cancellous bone density distributions based upon continuum levels of volumetric strain. Volumetric strain is defined as the summation of normal strains, excluding shear strains, within an elastic range of loadings. Volumetric strain at a particular location in a cancellous structure changes with changes of the boundary conditions (prescribed displacements, tractions, and pressure). This change in the volumetric strain is postulated to predict the adaptive change in the bone apparent density. This bone remodeling theory based on volumetric strain is then used with the finite element method to compute the apparent density distribution for cancellous bone in both lumbar spine and proximal femur using an iterative algorithm, considering the dead zone of strain stimuli. The apparent density distribution of cancellous bone predicted by this method has the same pattern as experimental data reported in the literature (Wolff 1892, Keller et al. 1989, Cody et al. 1992). The resulting bone apparent density distributions predict Young's modulus and strength distributions throughout cancellous bone in agreement with the literature (Keller et al. 1989, Carter and Hayes 1977). The method was convergent and sensitive to changes in boundary conditions. Therefore, the computational algorithm of the present study appears to be a useful approach to predict the apparent density distribution of cancellous bone (i.e. a numerical approximation for Wolff's Law)
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.23
no.1
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pp.83-91
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2020
The evaluation of the compression behavior of the cushioning material is of importance to achieve appropriate packaging design. In order to change packaging design from polymeric-based to more eco-friendly cellulose-based nire effectively, comparative study on the compression behavior between these two packaging materials is crucial. In this study, the stress-strain behavior, hysteresis loss, and response characteristics for cyclic loading were analyzed through compression tests on multi-layered corrugated structure (MLCS) and expanded polystyrene (EPS) packaging materials. MLCS produced in Korea is produced by winding a certain number of single-faced corrugated paperboard, and the compression behavior of this material was turned out to be 6 stages: elastic stage, first buckling stage, sub-buckling stage, densification stage, last buckling stage and high densification stage. On the other hand, EPS's compression behavior was in 3 stages: linear elastic stage, collapse plateau, and densification stage. The strain energy per unit volume (strain energy density) of MLCS did not differ depending on the material thickness, but it showed a clear difference depending on the raw material and flute type. Hysteresis loss of MLCS ranged from 0.90 to 0.93, and there were no significant differences in the raw material and flute type. These values were about 5 to 20% greater than the hysteresis of the EPS (about 0.78 to 0.87).
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.25
no.8
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pp.80-87
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2008
This paper investigated into the impact characteristics of the stainless sheet with thickness of 0.7 mm on the stretching boundary condition through three-dimensional finite element analysis. High speed tensile tests were carried out to obtain strain-stress relationships with the effects of the strain rate. The FE analysis was performed by the ABAQUS explicit code. In order to improve an accuracy of the FE analysis, the hyper-elastic model and the damping factor were introduced. Through the comparison of the results of the FE analyses and those of the impact tests, a proper FE model was obtained. The results of the FE analyses showed that the absorption rate of energy maintains almost 82.5-83.5% irrespective of the impact energy level and the diameter of the impact head. From the results of FE analyses, variations of stress, strain, dissipation energy, strain energy density, and local deformation characteristics in the stainless sheet during the collision and the rebound of the impact head were quantitatively examined. In addition, it was shown that the fracture of the specimen occurs when the plastic strain is 0.42 and the maximum value of the plastic dissipation energy of the specimen is nearly 1.83 J.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.17
no.2
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pp.175-183
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2016
A poroelastic composite material, containing different material phases and filled with fluids, serves as a model to formulate the overall ablative behaviors of such materials. This article deals with the assessment of variation in nondeterministic poroelastic properties of two-phase composite materials using micromechanical representative volume element (RVE) models. Considering the configuration and arrangement of pores in a matrix phase, various RVEs are modeled and analyzed according to their porosity. In order to quantitatively investigate the effects of microstructure, changes in effective elastic moduli and poroelastic parameters are measured via finite element (FE) analysis. The poroelastic parameters are calculated from the effective elastic moduli and the pore-pressure-induced strains. The reliability of the numerical results is verified through image-based FE models with the actual shape of pores in carbon-phenolic ablative materials. Additionally, the variation of strain energy density is measured, which can possibly be used to evaluate microstress concentrations.
This paper presents a simple procedure to obtain a substitute, homogenized mechanical response of single layer graphene sheet. The procedure is based on the judicious combination of molecular mechanics simulation results and homogenization method. Moreover, a series of virtual experiments are performed on the representative graphene lattice. Following these results, the constitutive model development is based on the well-established continuum mechanics framework, that is, the non-linear membrane theory which includes the hyperelastic model in terms of principal stretches. A proof-of-concept and performance is shown on a simple model problem where the hyperelastic strain energy density function is chosen in polynomial form.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.27
no.11
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pp.46-56
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2010
The present research works investigated into the low velocity impact characteristics of DP 780 high strength steel sheet with 1.7 mm in thickness subjected to free boundary condition using three-dimensional finite element analysis. Finite element analysis was carried out via ABAQUS explicit code. Hyper-elastic model and the damping factor were introduced to improve an accuracy of the FE analysis. An appropriate FE model was obtained via the comparison of the results of the FE analyses and those of the impact tests. The influence of the impact energy and nose diameter of the impact head on the force-deflection curves, impact time, absorption characteristics of the impact energy, deformation behaviours, and stress-strain distributions was quantitatively examined using the results of FE analysis. The results of the FE analysis showed that the absorption rate of impact energy lies in the range of the 70.7-77.5 %. In addition, it was noted that the absorption rate of impact energy decreases when the impact energy increases and the nose diameter of the impact head decreases. The local deformation of the impacted region was rapidly increased when the impact energy was larger than 76.2 J and the nose diameter was 20 mm. A critical impact energy, which occur the instability of the DP780, was estimated using the relationship between the plastic strain and the impact energy. Finally, characteristics of the plastic energy dissipation and the strain energy density were discussed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.5
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pp.527-534
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2014
Poroelastic analyses of fiber-reinforced composites were performed using image-based computational models. The section image of a porous matrix was analyzed in order to investigate the porosity, number of pores, and distribution of pores. The resolution, location, and size of the section image were considered to quantify the effective elastic modulus, poroelastic parameter, and strain energy density using the image-based computational models. The poroelastic parameter was calculated from the effective elastic modulus and pore pressure-induced strain. In addition, the results of the poroelastic analyses were verified through representative volume elements by simplifying various pore configurations and arrangements.
Kim, Wan-Doo;Kim, Wan-Soo;Kim, Dong-Jin;Woo, Chang-Soo;Lee, Hak-Joo
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.6
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pp.848-859
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2004
Mechanical testing methods to determine the material constants for large deformation nonlinear finite element analysis were demonstrated for natural rubber. Uniaxial tension, uniaxial compression, equi-biaxial tension and pure shear tests of rubber specimens are performed to achieve the stress-strain curves. The stress-strain curves are obtained after between 5 and 10 cycles to consider the Mullins effect. Mooney and Ogden strain-energy density functions, which are typical form of the hyperelastic material, are determined and compared with each other. The material constants using only uniaxial tension data are about 20% higher than those obtained by any other test data set. The experimental equations of shear elastic modulus on the hardness and maximum strain are presented using multiple regression method. Large deformation finite element analysis of automotive transmission mount using different material constants is performed and the load-displacement curves are compared with experiments. The selection of material constant in large deformation finite element analysis depend on the strain level of component in service.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.4
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pp.427-434
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2004
Ferritic stainless steel is recently used in high temperature structures because of its good properties of thermal fatigue resistance, corrosion resistance, and low price. Tensile and low-cycle fatigue (LCF) tests on 429EM stainless steel used in exhaust manifold were performed at several temperatures from room temperature to 80$0^{\circ}C$. Elastic Modulus, yield strength, and ultimate tensile strength monotonically decreased when temperature increased. Cyclic hardening occurred considerably during the most part of the fatigue life. Dynamic strain aging was observed in 200~50$0^{\circ}C$, which affects the cyclic hardening behavior. Among the fatigue parameters such as plastic strain amplitude, stress amplitude, and plastic strain energy density (PSED), PSED was a proper fatigue parameter since it maintained at a constant value during LCF deformation even though cyclic hardening occurs considerably. A phenomenological life prediction model using PSED was proposed considering the influence of temperature on fatigue life.
Idea of using piezoelectric materials with flexible structures made of rubber-like materials is quite novel. In this study a non-linear finite element model based on updated Lagrangian (UL) approach has been developed for dynamic response and its control of rubber-elastic material with surface-bonded PVDF patches/layers. A compressible stain energy density function has been used for the modeling of the rubber component. The results obtained are compared with available analytical solutions and other published results in some cases. Some results are reported as new results which will be useful for future references since the number of published results is not sufficient.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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