Polymer matrix composites are widely used in many engineering applications as they can be customized to meet a desired performance while not only maintaining low cost but also reducing weight. Polymers can experience viscoelastic-viscoplastic response when subjected to external loadings. Various reinforcements and fillers are added to polymers which bring out more complexity in analyzing the timedependent response. This study formulates an integrated micromechanical model and finite element (FE) analysis for predicting effective viscoelastic-viscoplastic response of polymer based hybrid composites. The studied hybrid system consists of unidirectional short-fiber reinforcements and a matrix system which is composed of solid spherical particle fillers dispersed in a homogeneous polymer constituent. The goal is to predict effective performance of hybrid systems having different compositions and properties of the fiber, particle, and matrix constituents. A combined Schapery's viscoelastic integral model and Valanis's endochronic viscoplastic model is used for the polymer constituent. The particle and fiber constituents are assumed linear elastic. A previously developed micromechanical model of particle reinforced composite is first used to obtain effective mechanical properties of the matrix systems. The effective properties of the matrix are then integrated to a unit-cell model of short-fiber reinforced composites, which is generated using the FE. The effective properties of the matrix are implemented using a user material subroutine in the FE framework. Limited experimental data and analytical solutions available in the literatures are used for comparisons.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.2
no.2
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pp.123-136
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2008
A new plastic-damage constitutive model applicable to lightweight concrete (LWC) and normal weight concrete (NWC) is proposed in this paper based on both continuum damage mechanics and plasticity theories. Two damage variables are used to represent tensile and compressive damage independently. The effective stress is computed in the Drucker-Prager multi-surface plasticity framework. The stress is then computed by multiplication of the damaged part and the effective part. The proposed model is coded as a user material subroutine and incorporated in a finite element analysis software. The constitutive integration algorithm is implemented by adopting the operator split involving elastic predictor, plastic corrector and damage corrector. The numerical study shows that the algorithm is efficient and robust in the finite element analysis. Experimental investigation is conducted to verify the proposed model involving both static and dynamic tests. The very good agreement between the numerical results and experimental results demonstrates the capability of the proposed model to capture the behaviors of LWC and NWC structures for static and impact loading.
A strain-gradient crystal plasticity constitutive model was developed in order to predict the Hall-Petch behavior of a Ni-base polycrystalline superalloy. The constitutive model involves statistically stored dislocation and geometrically necessary dislocation densities, which were incorporated into the Bailey-Hirsch type flow stress equation with six strength interaction coefficients. A strain-gradient term (called slip-system lattice incompatibility) developed by Acharya was used to calculate the geometrically necessary dislocation density. The description of Kocks-Argon-Ashby type thermally activated strain rate was also used to represent the shear rate of an individual slip system. The constitutive model was implemented in a user material subroutine for crystal plasticity finite element method simulations. The grain size dependence of the flow stress (viz., the Hall-Petch behavior) was predicted for a Ni-base polycrystalline superalloy NIMONIC PE16. Simulation results showed that the present constitutive model fairly reasonably predicts 0.2%-offset yield stresses in a limited range of the grain size.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.11
no.2
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pp.68-74
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2015
Time domain response analysis for vibro-impact nonlinear behavior of multi-span tube with loose supports was performed using commercial FEA code and user subroutine. Support geometry of multi-span tube with a finite gap is realistically modeled by analytical rigid surface. Model of hydrodynamic force is based on the Qusai-steady model which accounts for the inclined angle of relative flow velocity and time delay between flow force and resulting tube motion. During tube vibration from flow loading, impact and friction at the support location is simulated using commercial FEA code with master slave contact algorithm. Analysis results has reasonable agreement with those of references and test experience. Plan of further refinement of analysis model and future test verification is briefly introduced.
Yoon J.H.;Kim S.S.;Kim E.J.;Park H.J.;Choi T.H.;Lee H.J.;Huh H.
Transactions of Materials Processing
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v.15
no.3
s.84
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pp.220-225
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2006
This paper investigates the characteristics of a hydro-mechanical punching process. The hydro-mechanical punching process is divided into two stages: the first stage is the mechanical half piercing in which an upper punch goes down before the initial crack is occurred; the second stage is the hydro punching in which a lower punch goes up until the final fracture is occurred. Ductile fracture criteria such as the Cockcroft, Brozzo and Oyane are adopted to predict the fracture of sheet material. The index values of ductile fracture criteria are calculated with a user material subroutine, VUMAT in the ABAQUS Explicit. The hydrostatic pressure retards the initiation of a crack in the upper region of the blank and induces another crack in the lower region of the blank during the punching process. The final fracture zone is placed at the middle surface of the blank to the thickness direction. The result demonstrates that the hydro-mechanical punching process makes a finer shearing surface than the conventional one as hydrostatic pressure increases.
The shielded slot plates for a molten carbonate fuel cell(MCFC) have a sheared corrugated trapezoidal pattern. In the FEM simulations for the production of the shielded slot plate, the user material subroutine VUMAT in the commercial FEM software ABAQUS was used to implement a ductile fracture criterion. The critical damage value for the ductile fracture criterion was determined by comparing the experimental results of the shearing process with the simulation results. Using the ductile fracture criterion, the FEM simulation of the three-dimensional forming process of the shielded slot plate was conducted. The effects of the shearing process on the forming process were examined through FEM simulation and experiments. The forming simulation of nine unit cells was conducted. Using the simulation results of the forming process, the deformed shape after springback was calculated. The experimental result shows good agreement with the simulation.
Magnesium alloy shows strong anisotropy and asymmetric behavior in tension and compression curve, especially at room temperature. These characteristics limit the application of finite element method (FEM) which is based on conventional continuum mechanics. To accurately predict the material behavior of magnesium alloy at microstructural level, a methodology of fully coupled multiscale simulation is presented and a crystal plasticity model as a constitutive equation in the simulation of metal forming process is introduced in this study. The existing constitutive equation for rigid plastic FEM is modified to accommodate deviatoric stress component and its derivatives with respect to strain rate components. Viscoplastic self-consistent (VPSC) polycrystal model was selected as a constitutive model because it was regarded as the most robust model compared to Taylor model or Sachs model. Stiffness matrix and load vector were derived based on the new approach and implemented into $DEFORM^{TM}-3D$ via a user subroutine handling stiffness matrix at an elemental level. The application to extrusion and rolling process of pure magnesium is presented in this study to assess the validity of the proposed multiscale process.
In this work, a novel artificial circular muscle based on shape memory alloy (S.M.A.) is proposed. The design is inspired from the natural circular muscles found in certain organs of the human body such as the small intestine. The heating of the prestrained SMA artificial muscle will induce its contraction. In order to measure the mechanical work provided in this case, the muscle will be mounted on a silicone rubber cylindrical tube prior to heating. After cooling, the reaction of the rubber tube will involve the return of the muscle to its prestrained state. A finite element model of the new SMA artificial muscle was built using the software "ABAQUS". The SMA thermomechanical behavior law was implemented using the user subroutine "UMAT". The numerical results of the finite element analysis of the SMA muscle are presented to shown that the proposed design is able to mimic the behavior of a natural circular muscle.
Aghaei, Manizheh;Forouzan, Mohammad R.;Nikforouz, Mehdi;Shahabi, Elham
Steel and Composite Structures
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v.18
no.5
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pp.1291-1303
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2015
Damage caused by low velocity impact is so dangerous in composites because although in most cases it is not visible to the eye, it can greatly reduce the strength of the composite material. In this paper, damage development in U-section glass/polyester pultruded beams subjected to low velocity impact was considered. Different failure criteria such as Maximum stress, Maximum strain, Hou, Hashin and the combination of Maximum strain criteria for fiber failure and Hou criteria for matrix failure were programmed and implemented in ABAQUS software via a user subroutine VUMAT. A suitable degradation model was also considered for reducing material constants due to damage. Experimental tests, which performed to validate numerical results, showed that Hashin and Hou failure criteria have better accuracy in predicting force-time history than the other three criteria. However, maximum stress and Hashin failure criteria had the best prediction for damage area, in comparison with the other three criteria. Finally in order to compare numerical model with the experimental results in terms of extent of damage, bending test was performed after impact and the behavior of the beam was considered.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.14
no.5
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pp.100-106
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2006
NiTi alloy known as its shape memory effect also has superelastic characteristic, which makes it possible to be elastic under large deformation. Since the tensile strength of the alloy is very high and density is low compared to carbon steel, it can be applied to lightweight structural design. In order to design structures with shape memory alloy, finite element analysis is used and a constitutive algorithm based on Aurrichio's model is added to LS-DYNA as a user subroutine. Explicit time integration and shell element formulation are used to simulate thin-walled structures. The algorithm uses Drucker-Prager type loading condition to calculate martensite volume fraction during the transformation. The implemented algorithm is verified in uni-axial loading condition and martensite phase transformation can be detected well with the algorithm. In this study, as a energy absorbing structure, thin-walled tube is modeled with finite elements and the deformation behavior is studied. Simulation results has shown that the martensite transformation was generated in loading condition. After plastic deformation reached, the load decreases linearly without reverse martensite transformation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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