Gradient enhanced theories of crystal plasticity enjoy great research interest. The focus of this work is on thermodynamically consistent modeling of grain size dependent hardening effects. In this contribution, we develop a model framework for damage coupled to gradient enhanced crystal thermoplasticity. The damage initiation is directly linked to the accumulated plastic slip. The theoretical setting is that of finite strains. Numerical results on single-crystalline metal showing the development of damage conclude the paper.
In gradient-dependent plasticity theory, the yield strength depends on the Laplacian of an equivalent plastic strain measure (hardening parameter), and the consistency condition results in a differential equation with respect to the plastic multiplier. The plastic multiplier is then discretized in addition to the usual discretization of the displacements, and the consistency condition is solved simultaneously with the equilibrium equations. The disadvantage is that the plastic multiplier requires a Hermitian interpolation that has four degrees of freedom at each node. Instead of using a Hermitian interpolation, in this article, a 3-node incompatible (trigonometric) interpolation is proposed for the plastic multiplier. This incompatible interpolation uses only the function values of each node, but it is continuous across element boundaries and its second-order derivatives exist within the elements. It greatly reduces the degrees of freedom for a problem, and is shown through a numerical example on localization to yield good results.
Recent experiments have shown the 'size effects' in micro/nano scale. But the classical plasticity theories can not predict these size dependent deformation behaviors because their constitutive models have no characteristic material length scale. The Mechanism - based Strain Gradient(MSG) plasticity is proposed to analyze the non-uniform deformation behavior in micro/nano scale. The MSG plasticity is a multi-scale analysis connecting macro-scale deformation of the Statistically Stored Dislocation(SSD) and Geometrically Necessary Dislocation(GND) to the meso-scale deformation using the strain gradient. In this research we present a study of nano-indentation by the MSG plasticity. Using W. D. Nix and H. Gao s model, the analytic solution(including depth dependence of hardness) is obtained for the nano indentation , and furthermore it validated by the experiments.
In this paper, the strain localization of voided ductile material has been analyzed by nonlocal plasticity formulation in which the yield strength not only depends on an equivalent plastic strain measure (hardening parameter), but also on the Laplacian thereof. The gradient terms in yield criterion show an important role on modeling strain-softening phenomena of material. The influence of the mesh size on the elastic -plastic deformation behavior and the effect of the characteristic length parameter for localization prediction are also investigated. The proposed nonlocal plasticity shows that the load -strain curves converge to one curve. Results using nonlocal plasticity also exhibit the dependence of mesh size is much less sensitivity than that for a corresponding local plasticity formulation.
Since the actuators with small- scale structures may be exposed to external reciprocal actions lead to create undesirable loads causing instability, the buckling behaviors of them are interested to make reliable or accurate actions. Therefore, the purpose of this paper is to analyze plastic buckling behavior of the micro beam structures by adopting a Conventional Mechanism-based Strain Gradient plasticity (CMSG) theory. The effect of length scale on critical force is considered for three types of boundary conditions, i.e. the simply supported, cantilever and clamped - simply supported micro beams. For each case, the stability equations of the buckling are calculated to obtain related critical forces. The constitutive equation involves work hardening phenomenon through defining an index of multiple plastic hardening exponent. In addition, the Euler-Bernoulli hypothesis is used for kinematic of deflection. Corresponding to each length scale and index of the plastic work hardening, the critical forces are determined to compare them together.
미크론 단위의 크기를 갖는 구조물의 소성변형에서 나타나는 길이 효과를 고려하여 유한요소 해석을 하기 위하여 변형률 구배 소성이론을 이용하는 탄소성 유한요소 모델링 및 해석법을 제안하였다. 기존의 연구에서 주로 고차, 고자유도 및 혼합요소, 초 요소 등을 필요로 하였던 것에 비하여 본 논문에서는 이들을 배제하는 변위법 저차 평면 요소 및 삼차원 요소를 도입하였다. 이는 비선형 증분 해석의 프레임워크에서 계산된 소성 변형률의 절점 평균값으로 보간하여 적분점에서의 변형률 구배를 구하고 테일러 전위 모델에 의한 변형률 경화 구성방정식을 적용하므로서 가능하였다. 제안된 방법론은 선형 삼각 및 사각요소, 선형 사면체, 육면체 요소에 대해 적용되었으며 마이크로 굽힘, 마이크로 비틀림, 마이크로 기공과 같은 대표적인 길이 스케일 문제를 통하여 수치적으로 검증하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 계산이 매우 쉬우면서도 실험값들과 비교해 볼 때, 변형률 구배 소성이론 즉, 길이 효과를 잘 나타내어 주었다.
This paper presents an analytical study that can predict the path-dependent forming limits for bilinear strain paths. To predict the forming limit diagrams(FLD), the analytical procedure was performed within the framework of Marciniak and Kuczynski approach by introducing the effect of the existence of strain gradient over the stretching punch. The predicted path-dependent forming limits of an anisotropic sheet were compared with the published experimental results. It was found that the predicted path-dependent forming limits were in good agreement with the experimental data.
입자강화 알루미늄 복합재의 강도를 계산하기 위하여 압밀 후 냉각할 때 일어나는 전위 펀칭을 유한요소로 모델링 하였다. 다양한 입자의 체적비에서 입자의 크기가 강도에 미치는 영향을 고려하기 위하여 강화 입자 주위에 변형률 구배 소성과 테일러 전위 모델을 적용하였다. 변형률 구배는, 구형 단위 셀이 냉각하는 동안 입자와 기지재의 열팽창계수 차이에 의한 전위 펀칭이 일어날 때 형성되는 등가소성변형률로부터 구하였다. 펀칭된 영역에 걸쳐 평균적으로 변형률 구배를 고려함으로써 항복 응력이 증가하는 것을 관찰하였다. 유한요소 해석을 활용하여 다양한 입자 크기와 체적비에 대하여 SiC 강화 알루미늄 356-T6 복합재의 축대칭 단위 셀의 인장시 강도의 변화를 예측하였다. 예측된 강도는 실험 데이터와 잘 일치하며, 입자 크기 의존 효과를 분명히 보인다.
Localized shear band is investigated through the analysis of one-dimensional model for simple shearing deformation of thermally rate dependent material. Generally mesh size or interval of nodes play an important role in determining the overall flow behavior of the material. In order to observe these size effects we adapted non-local theory by including higher order strain gradients of the equivalent strain into the constitutive equation for the flow stress. for the ease of convergence and numerical stability the inplicit finite difference scheme is employed.
In this paper, a meshfree-enriched finite element method (ME-FEM) is introduced for the large deformation analysis of nonlinear path-dependent problems involving contact. In linear ME-FEM, the element formulation is established by introducing a meshfree convex approximation into the linear triangular element in 2D and linear tetrahedron element in 3D along with an enriched meshfree node. In nonlinear formulation, the area-weighted smoothing scheme for deformation gradient is then developed in conjunction with the meshfree-enriched element interpolation functions to yield a discrete divergence-free property at the integration points, which is essential to enhance the stress calculation in the stage of plastic deformation. A modified variational formulation using the smoothed deformation gradient is developed for path-dependent material analysis. In the industrial metal forming problems, the mortar contact algorithm is implemented in the explicit formulation. Since the meshfree-enriched element shape functions are constructed using the meshfree convex approximation, they pose the desired Kronecker-delta property at the element edge thus requires no special treatments in the enforcement of essential boundary condition as well as the contact conditions. As a result, this approach can be easily incorporated into a conventional displacement-based finite element code. Two elasto-plastic problems are studied and the numerical results indicated that ME-FEM is capable of delivering a volumetric locking-free and pressure oscillation-free solutions for the large deformation problems in metal forming analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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