본 연구에서는 기지개와 미시구멍으로 구성된 복합재료에 입자보강 복합재료의 등가 재료상수 예측기법인 평균장 근사이론과 등가원리를 적용하여 위상 최적화에 필요한 등가 재료상수와 설계변수와의 상관관계식을 유도하였다. 또한, 유도된 관계식에 중간값을 갖는 설계변수의 수를 줄이기 위하여 벌칙인자를 도입하였다. 그리고 본 연구의 타당성을 검증하기 위하여 벌칙인자가 도입된 위상 최적화문제를 순차이차계획법인 PLBA 알고리즘을 이용하여 해석하였다.
In this study, the equivalent elastic modulus of flexible textile composites was predicted by nonlinear finite element analysis. The analysis was carried out considering the material nonlinearity of fiber tows and the geometrical nonlinearity during large deformation using commercial analysis software, ABAQUS. To account for the geometrical nonlinearity due to the large shear deformation of fiber tows, a user defined material algorithm was developed and inserted in ABAQUS. In results, nonlinear stress-strain curve for the flexible textile composites under uni-axial tension was predicted from which effective elastic modulus was obtained and compared to the test result. The effective elastic moduli were calculated for the various finite element models with different waviness ratio of fiber tow.
Eunghwy Noh;Donghyeon Kim;Hyeongmin Mun;Woosuk Chang;Hongwoo Yoon;Seonghun Pyo;Kyungseop Kim;Yo-Han Cho
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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v.42
no.5
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pp.377-387
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2023
This paper presents accuracy of a method that directly estimates equivalent properties of a 1-3 piezocomposite for modeling it into the single phase homogeneous piezomaterial. This direct estimation method finds individual components of a material property matrix based on the piezoelectric constitutive equations, which represent mechanical and electrical behaviors and their couplings. Equivalent properties on a single 1-3 piezocomposite hydrophone are derived, and their accuracy depending on pairing of the constitutive equations is investigated by comparing them with finite element analysis for the whole domain. The accuracy is related to elastic characteristics of a matrix polymer, and the error is analyzed so that some guidelines for correct estimation are suggested. Fidelity of estimated properties and equivalent modeling is shown in a stave scale including hydrophones and surrounding acoustic structures as well, and reduced computational cost is verified.
In this paper, the equivalent elastic properties of fiber reinforced plastic laminar are investigated using various homogenization schemes. Although there are several methods for predicting the equivalent elastic properties such as analytical formula or semi-empirical formula, most of them have some limitations or are not much accurate when handling new composite material consisting of various fiber, matrix and fiber-volume fraction ratio. To resolve the issues, computational homogenization scheme is adopted with a representative volume element (RVE) comprised of a set of finite elements. Finally, the equivalent elastic properties are obtained by applying periodic boundary conditions. The obtained results are compared with those by the existing methods and test results. Also its effect on structural analysis results of the composite satellite panel is investigated.
This work presents the free vibration characteristics of laminated composite corrugated rectangular plates using the analytical method. Because it is very difficult to determine its mechanical behavior of 3-dimensional corrugated structures analytically, the equivalent homogenization model is adapted to investigate the overall mechanical behavior of corrugated structures. The corrugated element can be homogenized as an orthotropic material. Both the effective extensional and flexural stiffness of this homogenized equivalent orthotropic material are considered in the analysis. The present analytical results are validated by those obtained from 3D finite element analysis based on shell elements. The natural frequencies and global vibration mode shapes obtained from present analytical and finite element analysis are presented. Some numerical results are presented to check the effect of the geometric properties.
In this paper, statistical treatments of effective properties for plain weave textile composites were presented. Configurations up to 32 layers with varied stacking phase shifts were considered. Effective properties were calculated by numerical simulation in which uni-axial tensile and shear load were applied at unit cell. Sample analysis was utilized to consider the inherent randomness in the phase shift and the results were treated statistically. It was found that effective properties were dependent on stacking phase shifts for thin plain weave textile composites. The distribution of $E_{xx}$ and $V_{xy}$ were skewed and the range of possible values was relatively large. As the number of layers increased, however, the distribution width became narrower and mean values converged. In contrast, $G_{xy}$ was not affected by phase shifts and thickness changes.
Modeling of thick composite structures for finite element analysis is relatively complicated. 2-D plane elements may cause inaccurate result since the plane stress condition cannot be applicable in these structures. Therefore a 3-D modeling should be used. However, the difficulty to model all the layers with different material properties and ply orientation arise in this case. In this paper, an equivalent modeling is proposed and numerically tested for analysis of thick composite structures. By grouping layers with same material and ply orientation, number of elements through the thickness is remarkably reduced and still the result is close enough to the one from a detail finite element model. MSC/NASTRAN and PATRAN are used for the analysis. The proposed modeling technique has been applied for analysis of composite rotor hub system designed by Korea Aerospace Research Institute(KARI). Using the proposed equivalent modeling technique, we could conduct stress analysis for the hub system and check the safety factor of each part.
You, Won Young;Lim, Jae Hyuk;Kim, Sun Won;Kim, Chang-Ho;Kim, Sung-Ho
Aerospace Engineering and Technology
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v.13
no.1
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pp.76-85
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2014
In this paper, the equivalent coefficient of thermal expansion (CTE) of fiber reinforced plastic composite material is investigated with various CTE prediction schemes. Although there are several methods for predicting the equivalent CTEs, most of them have some limitations of are not much accurate when comparing prediction results with test results. In the framework of computational homogenization, a representative volume element is taken from the predefined fiber-volume ratio, and modelled with finite element mesh. Finally, the equivalent CTEs are obtained by applying periodic boundary condition. To verify the performance of the proposed method, the results obtained are compared with those by the existing methods and test results. Additionally, the thermal pointing error analysis for star tracker support structure is conducted and its accuracy is estimated according to CTE prediction schemes.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.10
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pp.10-20
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2003
In this study, the effective properties were numerically calculated for laminated plain weave textile composites with arbitrary s tacking orientation angles. A single-field macroelement with modified sub-domain integration was used in the analysis to reduce computer resource requirement while efficiently accounting for the internal microstructure. A sample calculation procedure based on the Monte Carlo method was employed to consider the random shift between the layers. Results showed that a significant deviation occurred when the orientation angles were near 0 deg for extensional modulus and Poisson's ratio and 45 deg for the shear modulus. It was also found that the average properties calculated by the 2-layer numerical specimen had large differences compared to the CLT results, which indicated that a caution must be needed when designig of thin plain weave composite structures.
In this study, geometric modeling and finite element analysis of 3-dimensional plain weave composite unit cell consisting of 3 interlaced fiber tows and resin pocket were performed to predict effective properties. First, tow properties were obtained from micro-mechanics finite element unit cell analysis, which were then used in the meso-mechanics analysis. The effective properties were obtained from a series of unit cell analyses simulating uniaxial tensile and shear tests. Analysis results were compared to the analysis and experimental results in the literature. Various crimp angles were considered and the effect on the effective properties was investigated. Initial failure strengths and failure sequence were also examined.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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