In this paper, a simple and accurate finite element model coupled to quasi-brittle damage law able to describe the multiple cracks initiation and their progressive propagation is developed in order to predict the complete force-displacement curve and the fracture pattern of human proximal femur under quasi-static load. The motivation of this work was to propose a simple and practical FE model with a good compromise between complexity and accuracy of the simulation considering a limited number of model parameters that can predict proximal femur fracture more accurately and physically than the fracture criteria based models. Different damage laws for cortical and trabecular bone are proposed based on experimental results to describe the inelastic damage accumulation under the excessive load. When the damage parameter reaches its critical value inside an element of the mesh, its stiffness matrix is set to zero leading to the redistribution of the stress state in the vicinity of the fractured zone (crack initiation). Once a crack is initiated, the propagation direction is simulated by the propagation of the broken elements of the mesh. To illustrate the potential of the proposed approach, the left femur of a male (age 61) previously investigated by Keyak and Falkinstein, 2003 (Model B: male, age 61) was simulated till complete fracture under one-legged stance quasi-static load. The proposed finite element model leads to more realistic and precise results concerning the shape of the force-displacement curve (yielding and fracturing) and the profile of the fractured edge.
This research focuses on finite element model updating and damage assessment of structures at element level based on global nondestructive test results. For this purpose, an optimization system is generated to minimize the structural dynamic parameters discrepancies between numerical and experimental models. Objective functions are selected based on the square of Euclidean norm error of vibration frequencies and modal assurance criterion of mode shapes. In order to update the finite element model and detect local damages within the structural members, modern optimization techniques is implemented according to the evolutionary algorithms to meet the global optimized solution. Using a simulated numerical example, application of genetic algorithm (GA), particle swarm (PSO) and artificial bee colony (ABC) algorithms are investigated in FE model updating and damage detection problems to consider their accuracy and convergence characteristics. Then, a hybrid multi stage optimization method is presented merging advantages of PSO and ABC methods in finding damage location and extent. The efficiency of the methods have been examined using two simulated numerical examples, a laboratory dynamic test and a high-rise building field ambient vibration test results. The implemented evolutionary updating methods show successful results in accuracy and speed considering the incomplete and noisy experimental measured data.
Son J. Y.;Cho J. R.;Bae W. B.;Kwon J. H.;Choi J. H.;Cho Y. S.;Kim T. K.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2005.05a
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pp.458-462
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2005
This paper deal with the optimal lamination condition of cylindrical shell applied new composite URN300 for a study of composite empirical formula. Finite element analyses for isotropic materials considered element numbers and boundary conditions are compared with existing empirical formulas to apply FE analysis for composite. And composite tensile test is done to know the composite material applied FE analysis for composite. The results of FE analyses for isotropic materials have indicated that Optimal element number and boundary condition were 1600 and both simple support. These conditions were applied in composite FE analyses. Ply orientations and lamination patterns in FE analyses for composite were considered. Ply orientations are $0^{\circ},\;15^{\circ},\;30^{\circ},\;45^{\circ},\;60^{\circ},\;75^{\circ},\;and\;90^{\circ}$. Lamination patterns are $[\pm\theta/0/90]_{14s]$ and $[\pm\theta_{14}/0_{14}/90_{14}]_s$ in FE analysis. Lamination pattern $[\pm\theta_{14}/0_{14}/90_{14}]_s$ is the equivalent model of $[\pm\theta/0/90]_{14s}$. At the result of this study, the FE analyses for composite have indicated that the optimized ply orientation $75^{\circ}$ is and real model must use in FE analysis for accurate results.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.32
no.12
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pp.1073-1080
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2015
A drive shaft is used to transmit torque and rotation through the connection of components of a drive train. Recently, a monobloc drive shaft without welding regions is developed to improve the safety of the drive shaft. The drive shaft bears the shear stress induced by torque. The objective of this paper is to investigate into the structural safety of a monobloc tubular drive shaft subjected to torque. Elasto-plastic finite element (FE) analysis is performed to estimate the deformation behavior of the drive shaft and stress-strain distribution in the drive shaft. Several techniques are used to create finite element (FE) model of the monobloc tubular drive shaft subjected to torque. Through the comparison of the results of FE analyses with those of experiments from the viewpoint of rotational angle, appropriate correction coefficients for different load conditions are estimated. The safety of the tubular drive shaft is examined using the results of FE analyses for different load conditions. Finally, it is noted that the designed tubular drive shaft has a sufficient structural safety.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.3
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pp.323-331
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2010
In this study, we propose a 3D finite element (FE) model for the residual stress under oblique shot peening. Using the FE model for an oblique impact, we examine the effects of factors on the residual stress such as the Rayleigh damping in the material, dynamic friction, and the rate dependency of the material and systematically integrate the effects. The plastic deformation of the shot is also emphasized. Then, the FE model is used to study oblique multi-impacts. The results obtained using the FE model are compared with experimental x-ray diffraction (XRD) results; in contrast to the rigid and elastic shots, plastic shots are found to produce residual stresses similar to that shown in the XRD results. Thus, the 3D FE models with integrated factors and plastically deformable shots are validated. The proposed model will serve as a basis for the 3D FE model for multi-impacts with different impact angles to simulate the actual phenomenon of shot peening.
In this paper, the results of finite element(FE) analysis of chemical mechanical polishing(CMP) process using 2-dimensional elements were discussed. The objective of this study is to find the generation mechanism of microscratches on a wafer surface during the process. Especially, a FE model with a particle inside pad pore was considered to observe how such a contact situation could contribute to microscratch generation. The results of the finite element simulations revealed that during CMP process the pad-particle mixture could be formed and this would be a major factor leading to microscratch generation.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.11
no.3
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pp.28-38
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2003
Finite element analysis of cylinder heat/block compound under assembly, thermal and firing condition were performed. FE model including two cylinders with gasket, head bolts, liners and valve seats was used. FE modeling method and boundary conditions were introduced. Stress distribution and deformation of cylinder head and block under each loading condition were presented. Gasket pressure distribution and bore distortion level were predicted. Measured data of bore distortion was compared with the analysis results. The analysis result showed similar trends with the experimental data. High cycle fatigue analysis on the basis of this result has been performed in order to find the critical areas of the engine assembly.
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.
The creep and consolidation behaviors of clays subjected to thermal cycles are of fundamental importance in the application of energy geostructures. This study aims to numerically investigate the physical mechanisms for the temperature-triggered volume change of saturated clays. A recently developed thermodynamic framework is used to derive the thermo-mechanical constitutive model for clays. Based on the model, a fully coupled thermo-hydro-mechanical (THM) finite element (FE) code is developed. Comparison with experimental observations shows that the proposed FE code can well reproduce the irreversible thermal contraction of normally consolidated and lightly overconsolidated clays, as well as the thermal expansion of heavily overconsolidated clays under drained heating. Simulations reveal that excess pore pressure may accumulate in clay samples under triaxial drained conditions due to low permeability and high heating rate, resulting in thermally induced primary consolidation. Results show that four major mechanisms contribute to the thermal volume change of clays: (i) the principle of thermal expansion, (ii) the decrease of effective stress due to the accumulation of excess pore pressure, (iii) the thermal creep, and (iv) the thermally induced primary consolidation. The former two mechanisms mainly contribute to the thermal expansion of heavily overconsolidated clays, whereas the latter two contribute to the noticeable thermal contraction of normally consolidated and lightly overconsolidated clays. Consideration of the four physical mechanisms is important for the settlement prediction of energy geostructures, especially in soft soils.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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