Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.23
no.6
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pp.533-538
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2014
We fabricated grooved mushroom structures with anisotropic wettability on silicon substrates using basic MEMS processes. The geometry of these grooved mushroom structures could be changed by controlling the additional IPA solution during Si etching by TMAH solution. To understand anisotropic wettability, contact angles (CAs) of hexadecane droplets were measured in the orthogonal and parallel directions to grooved lines. The CA measurement results displayed anisotropic wetting on the grooved mushroom structures. However, specimens with $80{\mu}m$ distance between top layers displayed isotropic and superoleophobic wetting. This study demonstrates that the thickness of the top layer is more critical than the width or height of the ridge when determining the wettability of organic solvent. Despite the wide distance between top layers ($80{\mu}m$), the specimen with a thin top layer (100 nm) showed highly anisotropic wetting and low CA due to the pinning of droplets at the edge of the top layer.
In this paper, a topology optimization method based on the element independent nodal density (EIND) is developed for continuum solids with multiple load cases and multiple constraints. The optimization problem is formulated ad minimizing the volume subject to displacement constraints. Nodal densities of the finite element mesh are used a the design variable. The nodal densities are interpolated into any point in the design domain by the Shepard interpolation scheme and the Heaviside function. Without using additional constraints (such ad the filtering technique), mesh-independent, checkerboard-free, distinct optimal topology can be obtained. Adopting the rational approximation for material properties (RAMP), the topology optimization procedure is implemented using a solid isotropic material with penalization (SIMP) method and a dual programming optimization algorithm. The computational efficiency is greatly improved by multithread parallel computing with OpenMP to run parallel programs for the shared-memory model of parallel computation. Finally, several examples are presented to demonstrate the effectiveness of the developed techniques.
There has been a continuous study on the weight reduction of structure by composites. Unlike isotropic materials, the physical properties of composites vary according to the direction of laminate and the order of lamination. Therefore, in the case of composite ladders, it is essential to perform structural analysis to verify the planned design. In this study, ladder was designed by applying fabric material. In addition, the effect of loading position on the ladder was analyzed through finite element analysis, and structural performance was analyzed by selecting the most problematic location. We analyzed the effect of stacking order on the structural strength of the ladder by analyzing the structure by applying various stacking sequence and measuring the failure value in each layer.
This paper aims to simulate the isotropic elastic damage theory of Liu Jun (2012) using the self-programmed UMAT subroutine in the interface of ABAQUS. Liu Jun (2012)'s method based on the mechanic theory can not be used interactively with the currently commonly used finite element software ABAQUS. The advantage of this method in the paper is that it can interact with ABAQUS and provide a constitutive program framework that can be modified according to user need. The model retains the two scalar damage variables and the corresponding two energy dissipation mechanisms and damage criteria for considering the tensile and compressive asymmetry of concrete. Taking C45 concrete as an example, the relevant damage evolution parameters of its tensile and compressive constitutive model are given. The study demonstrates that the uniaxial tensile stress calculated by the subroutine is almost the same as the Chinese Concrete Design Specification (GB50010) before the peak stress, but ends soon after the peak stress. The stress-strain curve of uniaxial compression calculated by the subroutine is in good agreement with the peak stress in Chinese Concrete Design Specification (GB50010), but there is a certain deviation in the descending stage. In addition, this paper uses the newly compiled subroutine to simulate the shear bearing capacity of the shear key in a new structural system, namely the open-web sandwich slab. The results show that the damage constitutive subroutine has certain reliability.
In this article, a novel propagation formulation of Rayleigh waves in a compressible isotropic half-space with impedance boundary condition is proposed by embedding the normal stress. In a two-dimensional case, it is assumed that a design boundary is free of normal traction and a shear traction depends on linearly a normal component of displacements multiplied by frequencies. Therefore, impedance boundary conditions affect the normal stress, where the impedance parameters correspond to dimensions of stresses over velocity. On the other hand, vanished impedance values are traction-free boundary conditions. The main purpose of this article is to present theoretically the existence and uniqueness of a Rayleigh wave formulation relying on secular equation's mathematical analyses. Its velocity varies along with the impedance parameters. Moreover, numerical experiments with different values for the velocity of Rayleigh waves are carried out. The present Rayleigh waves study is a fundamental step in analyzing the cause and effect of physical states such as building or structure damages resulting from natural dynamics. The results of the study generate a basic design formulation theory to test the effects of Rayleigh waves affecting structures when an earthquake occurs. The presence and uniqueness of the proposed formulation is verified by mutual comparisons of several numerical examples.
This research presents a multi-material topology optimization for functionally graded material (FGM) and nonFGM with elastic buckling criteria. The elastic buckling based multi-material topology optimization of functionally graded steels (FGSs) uses a Jacobi scheme and a Method of Moving Asymptotes (MMA) as an expansion to revise the design variables shown first. Moreover, mathematical expressions for modified interpolation materials in the buckling framework are also described in detail. A Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) as well as a modified penalizing material model is utilized. Based on this investigation on the buckling constraint with homogenization material properties, this method for determining optimal shape is presented under buckling constraint parameters with non-homogenization material properties. For optimal problems, minimizing structural compliance like as an objective function is related to a given material volume and a buckling load factor. In this study, conflicts between structural stiffness and stability which cause an unfavorable effect on the performance of existing optimization procedures are reduced. A few structural design features illustrate the effectiveness and adjustability of an approach and provide some ideas for further expansions.
Faisal Baakeel;Mohamed A. Eltaher;Muhammad Adnan Basha;Ammar Melibari;Alaa A. Abdelrhman
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.4
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pp.347-368
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2023
In the first part of this study, a numerical simulation model was developed using the mechanical APDL software to validate the results of the 3D-elastisity theory on the laminated sandwich plate developed by Panago. The numerical simulation model showed a good agreement to the results of Pagano's theory in terms of deflection, normal stresses, and shear stresses. In the second part of this study, the developed numerical simulation model was used to define different plates dimensions and fibers layup orientations to examine the load response in terms of deflection and stresses. Further analysis was implemented on the natural frequencies of laminated xxx plates of the plates. The layup configurations include Unidirectional (UD), Cross-Ply (CP), Quasi-Isotropic (QI), the linear bio-inspired known as Linear-Helicoidal (LH), and the nonlinear bio-inspired known as Fibonacci-Helicoidal (FH). The following numerical simulation model can be used for the design and study of novel, sophisticated bio-inspired composite structures in a variety of configurations subjected to sinusoidal or constant loads.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.25
no.1
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pp.35-41
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2017
The use of engineering plastics in automotive components is increasing with the trend towards improving the car strength and reducing weight. Among the different choices of materials, engineering plastic emerged as the necessary material for achieving lower costs, reduced weight and improved production efficiency. To produce the automotive parts, it is important to predict defect and validation of injection molding prior to design. Injection molding analysis and structural analysis are widely applied as a part of the design process when developing automotive parts. Injection molding analysis, in particular, involves a highly complicated mechanism that requires deep knowledge of polymer properties as well as an analytic approach different from that used for a general isotropic material when the molded material is used as a structural material. This is because the parts made of polymer have pre-stress factors such as intrinsic deformation and residual stress. The most important factors for injection molded plastic products are injection molding condition and cavity design, taking into account ease of molding, mass production and application. Despite optimal injection molding conditions and cavity design, however, glass fiber orientation is critically linked to strength reduction. The application of injection molding and structural coupled analysis provides a low-cost solution for product molding and structural validation, all prior to the actual molding. The purpose of this study involves the validation, pre-study, and solution of defect in injection-molded polymer automotive parts using the simulation software for injection molding and structural coupled analysis. Finally, this thesis provides validation of an injection molding and structural coupled analytic mechanism that can demonstrate the effect of glass fiber orientation on mechanical strength. Design improvement ideas for the injection molded product of PPS (Poly Phenylene Sulfide)+40% glass fiber are also suggested.
Kim, Hyun-Seok;Kim, Hyun-Sung;Park, Byoungjae;Lee, Kangsu
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.34
no.4
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pp.263-271
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2020
In this study, we performed a three-dimensional (3D) topology optimization of a fixed offshore structure to enhance its structural stiffness. The proposed topology optimization is based on the solid isotropic material with penalization (SIMP) method, where a volume constraint is applied to utilize an equivalent amount of material as that used for the rule-based scantling design. To investigate the effects of the main legs of the fixed offshore structure on its structural stiffness, the leg region is selectively considered in the design domain of the topology optimization problem. The obtained optimal designs and the rule-based scantling design of the structure are manufactured by 3D metal printing technology to experimentally validate the topology optimization. The behaviors under compressive loading of the obtained optimal designs are compared with those of the rule-based scantling design using a universal testing machine (UTM). Based on the structural experiments, we concluded that by employing the topology optimization method, the structural stiffness of the structure was enhanced compared to that of the rule-based scantling design for an equal amount of the fabrication material. Furthermore, by effectively combining the topology optimization and rule-based scantling methods, we succeeded in enhancing the structural stiffness and improving the breaking load of the fixed offshore structure.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.15
no.7
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pp.4087-4092
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2014
The gangway connection of the articulated high speed railway vehicles (HSRV) is a double wrinkled rubber component to seal the air of the corridor under a range of angular deviations between the carriage end parts. From the results of non-linear structural analysis, one of the severe loading conditions for the connection is mixed mode (rolling+yawing) angular displacements while passing through the small-radius curved siding track of the HSRV depot. In this study, to ensure the safety enhancement of the component, the optimal design for the cross section of that was performed using the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method. Nonlinear finite element analysis confirmed that the decreases in the maximum principal strain of the optimized design under rolling and mixed modes are 68% and 39%, respectively, compared to the initial design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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