Due to interfacial ageing, chemical action and interfacial damage, the interface debonding may appear in the interfaces of composite laminates. Particularly, the laminates display a side-dependent effect at small scale. In this work, a three-dimensional (3D) and anisotropic thick nanoplate model is proposed to investigate the effects of imperfect interface and nonlocal parameter on the bending deformation, vibrational response and buckling stability of one-dimensional (1D) hexagonal quasicrystal (QC) layered nanoplates. By combining the linear spring model with the transferring matrix method, exact solutions of phonon and phason displacements, phonon and phason stresses of bending deformation, the natural frequencies of vibration and the critical buckling loads of 1D hexagonal QC layered nanoplates are derived with imperfect interfaces and nonlocal effects. Numerical examples are illustrated to demonstrate the effects of the imperfect interface parameter, aspect ratio, thickness, nonlocal parameter, and stacking sequence on the bending deformation, the vibrational response and the critical buckling load of 1D hexagonal QC layered nanoplate. The results indicate that both the interface debonding and nonlocal effect can reduce the stiffness and stability of layered nanoplates. Increasing thickness of QC coatings can enhance the stability of sandwich nanoplates with the perfect interfaces, while it can reduce first and then enhance the stability of sandwich nanoplates with the imperfect interfaces. The biaxial compression easily results in an instability of the QC layered nanoplates compared to uniaxial compression. QC material is suitable for surface layers in layered structures. The mechanical behavior of QC layered nanoplates can be optimized by imposing imperfect interfaces and controlling the stacking sequence artificially. The present solutions are helpful for the various numerical methods, thin nanoplate theories and the optimal design of QC nano-composites in engineering practice with interfacial debonding.
The objective of this paper is to obtain three-dimensional (3D) effective properties for layered composites with imperfect interfaces using mechanics of structure genome. The imperfect interface is modeled using linear traction-displacement model that allows small infinitesimal displacement jump across the interface. The predictions obtained from the current analysis are compared with the 3D finite element analysis (FEA). In this study, it is found that the present model shows excellent agreement with the results obtained using 3D FEA by employing periodic boundary conditions. The prediction also reveals that in-plane longitudinal and shear moduli, and all Poisson's ratios are observed to be not affected by the interfacial stiffness while the predictions of transverse longitudinal and shear moduli are significantly influenced by interfacial stiffness.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.27
no.3
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pp.224-230
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2007
This work is aimed to explore a possibility of using the generalized Lamb waves for nondestructive evaluation of the bonding quality of layered substrates. For this purpose, we prepared two sets of specimens with imperfect bonding at their interfaces; 1) TiN-coated specimens with various wear conditions, and 2) CVD diamond specimens with various cleaning conditions. A dispersion simulation performed for layered substrates with imperfect interfaces are carried out to get the characteristics of dispersion curves that can be used for bonding quality evaluation. Then the characteristics of dispersion curves of the fabricated specimens are experimentally determined by use of an ultrasonic backward radiation measurement technique. The results obtained in the present study show that the lowest velocity mode (Rayleigh-like) of the generalized Lamb waves are sensitively affected by the bonding quality. Therefore, the generalized Lamb waves can be applied for nondestructive evaluation of imperfect bonding quality in various layered substrates.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.56-59
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2008
This paper presents results of a parametric study for a constitutive model (Lee et ai, 1989) for particle-reinforced composites considering weakened interfaces and crack nucleation. Eshelby's tensors for particles with imperfect interfaces (Ju and Chen, 1994) and microcracks (Sun and Ju, 2004) are incorporated into a micromechanical formulation. A parametric study for the microcrack nucleation parameter ${\phi}_{{\upsilon}0}$ and ${\epsilon}^{th}$ is conducted to investigate the sensitivity of the parameter to the constitutive model.
A smart hollow cylinder consisting of a host functionally graded elastic core layer and two surface homogeneous piezoelectric layers is presented in this paper. The bonding between the layers can be perfect or imperfect, depending on the parameters taken in the general linear spring-layer interface model. The effect of such weak interfaces on free vibration and steady-state response is then investigated. Piezoelectric layers at inner and outer surfaces are polarized axially or radially and act as a sensor and an actuator respectively. For a simply supported condition, the state equations with non-constant coefficients are obtained directly from the formulations of elasticity/piezoelasticity. An approximate laminated model is then introduced for the sake of solving the state equations conveniently. It is further assumed that the hollow cylinder is embedded in an elastic medium and is simultaneously filled with compressible fluid. The interaction between the structure and its surrounding media is taken into account. Numerical examples are finally given with discussions on the effect of some related parameters.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.1
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pp.51-58
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2008
A constitutive model based on a combination of a micromechanics-based weakened interface elastic model (Lee and Pyo, 2007) and a crack nucleation model (Karihaloo and Fu, 1989) is proposed to predict the effective elastic behavior of particle-reinforced composites. The model specifically considers imperfect interfaces in particles and microcracks in the matrix. To exercise the proposed constitutive model and to investigate the influence of model parameters on the behavior of the composites, numerical simulations on uniaxial tension tests were conducted. Furthermore, the present prediction is compared with available experimental data in the literature to verify the accuracy of the proposed constitutive model.
Proper maintenance techniques have been emphasized in recent years due to increased safety and reliability requirements of systems, increased complexity, and rising costs of material and labor. In the related literature, most studies assume that the system after cm or pm is 'as good as new'(perfect maintenance) or 'as bad as old'(minimal maintenance). But many maintenance activities may not result in these two extreme situations but in a complicated intermediate one. Therefore, perfect maintenance and minimal maintenance are not practical in many actual instances and so realistic imperfect maintenance should be modeled. For this study, various imperfect preventive maintenance models are investigated and analyzed. From the analysis of the imperfect maintenance models modeling methods and maintenance policies are arranged and presented some tables providing informations to the maintenance managers.
A state-space method is developed to investigate the time-dependent behaviors of an angle-ply cylindrical shell in cylindrical bending with surface-bonded piezoelectric layers. Both the interfacial diffusion and sliding are considered to describe the properties of the imperfect interfaces. Particularly, a matrix reduction technique is adopted to establish the transfer relations between the elastic and piezoelectric layers of the laminated shell. Very different from our previous paper, in which an approximate numerical technique, i.e. power series expansion method, is used to deal with the time-dependent problems, the exact solutions are derived in the present analysis based on the piezoelasticity equations without any assumptions. Numerical results are finally obtained and the effects of imperfect interfaces on the electro-mechanical responses of the laminated shell are discussed.
Journal of information and communication convergence engineering
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v.20
no.4
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pp.303-308
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2022
Simulating the heat transfer in a composite material is an important topic in material science. Difficulties arise from the fact that adjacent materials cannot match perfectly, resulting in discontinuity in the temperature variables. Although there have been several numerical methods for solving the heat-transfer problem in imperfect contact conditions, the methods known so far are complicated to implement, and the computational times are non-negligible. In this study, we developed a ResNet-type deep neural network for simulating a heat transfer model in a composite material. To train the neural network, we generated datasets by numerically solving the heat-transfer equations with Kapitza thermal resistance conditions. Because datasets involve various configurations of composite materials, our neural networks are robust to the shapes of material-material interfaces. Our algorithm can predict the thermal behavior in real time once the networks are trained. The performance of the proposed neural networks is documented, where the root mean square error (RMSE) and mean absolute error (MAE) are below 2.47E-6, and 7.00E-4, respectively.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.99-99
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2013
In this talk, I will present two research works in progress, which are: i) mapping of piezoelectric polarization and associated charge density distribution in the heteroepitaxial InGaN/GaN multi-quantum well (MQW) structure of a light emitting diode (LED) by using inline electron holography and ii) in-situ observation of the polarization switching process of an ferroelectric Pb(Zr1-x,Tix)O3 (PZT) thin film capacitor under an applied electric field in transmission electron microscope (TEM). In the first part, I will show that strain as well as total charge density distributions can be mapped quantitatively across all the functional layers constituting a LED, including n-type GaN, InGaN/GaN MQWs, and p-type GaN with sub-nm spatial resolution (~0.8 nm) by using inline electron holography. The experimentally obtained strain maps were verified by comparison with finite element method simulations and confirmed that not only InGaN QWs (2.5 nm in thickness) but also GaN QBs (10 nm in thickness) in the MQW structure are strained complementary to accommodate the lattice misfit strain. Because of this complementary strain of GaN QBs, the strain gradient and also (piezoelectric) polarization gradient across the MQW changes more steeply than expected, resulting in more polarization charge density at the MQW interfaces than the typically expected value from the spontaneous polarization mismatch alone. By quantitative and comparative analysis of the total charge density map with the polarization charge map, we can clarify what extent of the polarization charges are compensated by the electrons supplied from the n-doped GaN QBs. Comparison with the simulated energy band diagrams with various screening parameters show that only 60% of the net polarization charges are compensated by the electrons from the GaN QBs, which results in the internal field of ~2.0 MV cm-1 across each pair of GaN/InGaN of the MQW structure. In the second part of my talk, I will present in-situ observations of the polarization switching process of a planar Ni/PZT/SrRuO3 capacitor using TEM. We observed the preferential, but asymmetric, nucleation and forward growth of switched c-domains at the PZT/electrode interfaces arising from the built-in electric field beneath each interface. The subsequent sideways growth was inhibited by the depolarization field due to the imperfect charge compensation at the counter electrode and preexisting a-domain walls, leading to asymmetric switching. It was found that the preexisting a-domains split into fine a- and c-domains constituting a $90^{\circ}$ stripe domain pattern during the $180^{\circ}$ polarization switching process, revealing that these domains also actively participated in the out-of-plane polarization switching. The real-time observations uncovered the origin of the switching asymmetry and further clarified the importance of charged domain walls and the interfaces with electrodes in the ferroelectric switching processes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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