A constitutive model on oorthotropic thermo-elasto-viscoplasticity for fiber-reinforced composite materials Is illustrated, and their thermomechanical responses are predicted with the fully-coupled finite element formulation. The unmixing-mixing scheme can be adopted with the multipartite matrix method as the constitutive model. Basic assumptions based upon the composite micromechanics are postulated, and the strain components of thermal expansion due to temperature change are included In the formulation. Also. more than two sets of mechanical variables, which represent the deformation states of multipartite matrix can be introduced arbitrarily. In particular, the unmixing-mixing scheme can be used with any well-known isotropic viscoplastic theory of the matrix material. The scheme unnecessitates the complex processes for developing an orthotropic viscoplastic theory. The governing equations based on fully-coupled thermomechanics are derived with constitutive arrangement by the unmixing-mixing concept. By considering some auxiliary conditions, the Initial-boundary value problem Is completely set up. As a tool of numerical analyses, the finite element method Is used with isoparametric Interpolation fer the displacement and the temperature fields. The equation of mutton and the energy conservation equation are spatially discretized, and then the time marching techniques such as the Newmark method and the Crank-Nicolson technique are applied. To solve the ultimate nonlinear simultaneous equations, a successive iteration algorithm is constructed with subincrementing technique. As a numerical study, a series of analyses are performed with the main focus on the thermomechanical coupling effect in composite materials. The progress of viscoplastic deformation, the stress-strain relation, and the temperature History are careful1y examined when composite laminates are subjected to repeated cyclic loading.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.22
no.1
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pp.1-15
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1998
In this paper, thermo-viscoplastic finite element analysis of the effect of tool edge radius on cutting process are performed. The thermo-viscoplastic cutting model is capable of dealing with free chip geometry and chip-tool contact length. The coupling with thermal effects is also considered. Orthogonal cutting experiments are performed for 0.2% carbon steel with tools having 3 different edge radii and the tool forces are measured. The experimental results are discussed in comparison with the results of the FEM analysis. From the study, we confirm that this cutting model can well be applied to the cutting process considered the tool edge radius and that a major causes of the "size effect" is the tool edge radius. With numerical analysis, the effects of the tool edge radius on the stress distributions in workpiece, the temperature distributions in workpiece and tool, and the chip shape are investigated.estigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.2
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pp.488-499
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1996
SMC(Sheet molding compound) is a thermosetting material reinforced with chopped fiberglass. The compression molding of SMC was analyzed based on a rigid thermo-viscoplastic approach using a three dimensional finite element program coupled with temperatures. Only the temperature analysis part was tested in this paper by solving one-dimensional heat transfer problem and comparing with the exact solutions available in the literature. Based on this comparison the program was proved to be valid and was further applied in solving compression molding of SMC between flat dies. To investigate the usefulness of a rigid thermo-viscoplastic approach in the compression molding analysis of SMC charge, compression of rectangular shaped SMC charge at plane strain and three dimensionalde formation condition was analyzed under the same condition as given in the literature. From this comparison it was found out that the rigid thermo-viscoplastic approach was useful in analyzing SMC compression molding between flat dies.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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1992.03a
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pp.177-200
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1992
A thermo-viscoplastic finite element program was developed to analyze the compression molding of SMC process. Deformation of the material was modelled by using the flow-rule. Heat balance during the process was coupled to the deformation. In the cure study, a kinetic model was adopted to describe the cure behavior. The numerical kinetic model was integrated with the thermo-viscoplastic numerical analysis by adding heat generation due to the chemical reaction of the workpiece in the heat transfer analysis. The integrated finite element program can simulate a whole sequential molding process including deformation, heat transfer, and chemical reaction. A practical SMC molding process with T-shaped substructure was simulated. The simulated results showed good agreements with experiments.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.4
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pp.614-622
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2003
In this paper, the stress-strain curves of bearing steels at hot working conditions are obtained by hot compression test with a computer controlled servo-hydraulic Gleeble 3800 testing machine and elongations and reductions of area of the bearing steels are also obtained by hot tensile test with a Gleeble 1500 testing machine. Experiments are conducted under the various strain-rates and temperatures and their results are used to obtain the flow stress information. A rigid thermo-viscoplastic finite element method is applied to the multi-stage hot forging process in order to predict temperature distribution of workpiece. The experimental results and the analysis results are used to obtain an optimal hot forging condition.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.5
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pp.1166-1180
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1990
The study is concerned with the two-dimensional thermo-viscoplastic finite element analysis for radial forging as an incremental forging process. The deformation and temperature distribution of the workpiece during radial forging are studied. The analysis of deformation and the analysis of heat transfer are carried out for simple upsetting of cylinder by decoupling the above two analyses. A method of treatment for heat transfer through the contact region between the die and the workpiece is suggested, in which remeshing of the die elements is not necessary. Radial forging of a mild steel cylinder at the elevated temperature is subjected to the decoupled finite element analysis as well as to the experiment. The computed results in deformation, load and temperature distribution are found to be in good agreement with the experimental observations. As an example of viscoplastic decoupled analysis of hot radial forging, forging of a square section into a circular section is treated. The stresses, strains, strain rates and temperature distribution are computed by superposing material properties as the workpiece is rotated and forged incrementally. It was been thus shown that proposed method of analysis can be effectively applied to the hot radial forging processes.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.2
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pp.207-225
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1992
The study is concerned with the thermo-viscoplastic finite element analysis of axisymmetric forward hot extrusion through square dies. The problem is treated as a nonsteady state problem because the distribution of temperature and material properties are continuously changing with the punch travel. In square die extrusion, difficulties arise from the severe distortion and die interference of elements at the aperture rim of the die even with a small punch travel. And finite element computation is impossible without intermittent remeshing. Accordingly, an automatic remeshing technique is proposed by employing specially designed mesh structure near the aperture rim. The analysis of temperature distribution includes heat conduction through material interfaces, heat convection and radiation to the atmosphere and is carried out by decoupling the heat analysis from the analysis of the deformation. The extrusion load and the distributions of strain rate and temperature are computed for the given cases rendering reasonable results. Computed grid distortions are found to be in good agreement with the experimental results. It has been thus shown that the proposed method of analysis can be effectively applied to the axisymmetric hot extrusion through square dies.
The metal forming processes of aluminum alloy wheel forging at elevated temperature are analyzed by the finite element method. A coupled thermo-mechanical model for analysis of plastic deformation and geat transfer is adapted in the finite element formulation. In order to consider the strain-rate effects on material properties and the flow stress dependence on temperatures, rigid-viscoplasticity is introduced in this formation. In this paper, several process conditions were applied to the dimulation such as die speed, rib thickness, and depth of die cavity. Simulation results are compared, and discussed with each case. Metal flow, die pressure distributions, temperature distributions, velocity fields and forging loads are summarized as basic data for process design and selection of a proper press equipment.
Generally, analytical consideration on the behaviour of metallic structures during quenching process, and analysis on the thermal stress and deformation after heat treatment are very important in presumption of crack and distorsion of quenched material. In this study a set of constitute equations relevant to the analysis of thermo elasto-viscoplastic materials with strain hysteresis during quenching process way presented on the basis of contimuum thermo-dynamics mechanics. The thermal stresses were numerically calculated by finite element technique of weighted residual method and the principle of virtual work. In the calculation process, the temperature depandency of physical and mechaniclal properties of the material in consideration. On the distribution of elasto-viscoplastic thermal stresses according to radial direction, axial and tangential stress are tensile stress(50MPa, 1.5GPa and 300MPa) in surface and compressive stress(-1.2GPa, -1.14GPa and -750MPa) in the inner part on the other hand, radial stress is tensile stress(900MPa) in area of analysis. According to axial direction, tangential stress gradients are average 60MPa/mm on the whole. The reversion of stress takes place at 11.5 to 16.8mm from the center in area of analysing.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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1995.10a
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pp.102-108
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1995
Internal contact scheme between two free surfaces on one deforming body has been proposed by using the penalty method. It has been imposed to be internal boundary condition on two-dimensional thermo-viscoplastic finite element method so as to analyze one deforming body, which has two free surfaces penetrating each others. Analysis of side pressing with a circular void and a inclined elliptic hole have been carried out in order to verity the proposed contact scheme. A finite element code imposed internal boundary condition has been applied to two-dimensional analysis of free forging of large ingot with a void. Through the analysis, effects of working parameters in order to consolidate voids have been investigated.
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