This paper proposes a novel time-domain homogenization model combining the viscoelastic constitutive law with Eshelby's inclusion theory-based micromechanics model to predict the mechanical behavior of the particle reinforced composite material. The proposed model is intuitive and straightforward capable of predicting composites' viscoelastic behavior in the time domain. The isotropization technique for non-uniform stress-strain fields and incremental Mori-Tanaka schemes for high volume fraction are adopted in this study. Effects of the imperfectly bonded interphase layer on the viscoelastic behavior on the dynamic mechanical behavior are also investigated. The proposed model is verified by the direct numerical simulation and DMA (dynamic mechanical analysis) experimental results. The proposed model is useful for multiscale analysis of viscoelastic composite materials, and it can also be extended to predict the nonlinear viscoelastic response of composite materials.
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.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.3
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pp.211-217
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2012
In this paper, experimental tests and theoretical studies were carried out to evaluate the tensile behavior of the sprayed FRP composite with chopped glass fiber. For this, a series of tensile strength tests with various strain rates were conducted on the specimens of the matrix and sprayed FRP composite. Sprayed FRP composite contained chopped glass fibers with fiber length of 15mm and a specific volume fraction of fibers of 25 %. An inverse simulation was conducted to simulate the strain rate sensitivity based on the present experimental data of the epoxy resin. The simulated viscosity value is adapted to the micromechanics-based viscoelastic damage model(Yang et al., 2012), and the overall tensile behavior of sprayed FRP composites is predicted. It was seen from the comparative study between present experimental data and predication results that the proposed methodology can be used to predict the viscoelastic behavior of the sprayed FRP composite.
A multiscale modeling scheme that addresses the influence of the nanoparticle size in nanocomposites consisting of nano-sized spherical particles embedded in a polymer matrix is presented. A micromechanics-based constitutive model for nanoparticle-reinforced polymer composites is derived by incorporating the Eshelby tensor considering the interface effects (Duan et al. 2005a) into the ensemble-volume average method (Ju and Chen 1994). A numerical investigation is carried out to validate the proposed micromechanics-based constitutive model, and a parametric study on the interface moduli is conducted to investigate the effect of interface moduli on the overall behavior of the composites. In addition, molecular dynamics (MD) simulations are performed to determine the mechanical properties of the nanoparticles and polymer. Finally, the overall elastic moduli of the nanoparticle-reinforced polymer composites are estimated using the proposed multiscale approach combining the ensemble-volume average method and the MD simulation. The predictive capability of the proposed multiscale approach has been demonstrated through the multiscale numerical simulations.
A previously published multiscale model for early-age cement-based materials [Pichler, et al.2007. "A multiscale micromechanics model for the autogenous-shrinkage deformation of early-age cement-based materials." Engineering Fracture Mechanics, 74, 34-58] is extended towards upscaling of viscoelastic properties. The obtained model links macroscopic behavior, i.e., creep compliance of concrete samples, to the composition of concrete at finer scales and the (supposedly) intrinsic material properties of distinct phases at these scales. Whereas finer-scale composition (and its history) is accessible through recently developed hydration models for the main clinker phases in ordinary Portland cement (OPC), viscous properties of the creep active constituent at finer scales, i.e., calcium-silicate-hydrates (CSH) are identified from macroscopic creep tests using the proposed multiscale model. The proposed multiscale model is assessed by different concrete creep tests reported in the open literature. Moreover, the model prediction is compared to a commonly used macroscopic creep model, the so-called B3 model.
This study simulates the flexural behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) beams reinforced with steel and glass fiber-reinforced polymer (GFRP) rebars. For this, micromechanics-based modeling was first carried out on the basis of single fiber pullout models considering inclination angle. Two different tension-softening curves (TSCs) with the assumptions of 2-dimensional (2-D) and 3-dimensional (3-D) random fiber orientations were obtained from the micromechanics-based modeling, and linear elastic compressive and tensile models before the occurrence of cracks were obtained from the mechanical tests and rule of mixture. Finite element analysis incorporating smeared crack model was used due to the multiple cracking behaviors of structural UHPFRC beams, and the characteristic length of two times the element width (or two times the average crack spacing at the peak load) was suggested as a result of parametric study. Analytical results showed that the assumption of 2-D random fiber orientation is appropriate to a non-reinforced UHPFRC beam, whereas the assumption of 3-D random fiber orientation is suitable for UHPFRC beams reinforced with steel and GFRP rebars due to disorder of fiber alignment from the internal reinforcements. The micromechanics-based finite element analysis also well predicted the serviceability deflections of UHPFRC beams with GFRP rebars and hybrid reinforcements.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1999.04a
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pp.123-128
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1999
Recently, as a performance based design concept is introduced, assurance of expected performances on serviceability and safety in the whole span of life is exactly requested. So, quantitative assessments about durability related properties of concrete in early-age long term are come to necessary, Especially in early age, deterioration which affects long-term durability performance can be occurred by hydration heat and shrinkage, so development of reasonable hydration heat model which can simulate early age behavior is necessary. The micor-pore structure formation property also affects shrinkage behavior in early age and carbonations and chloride ion penetration characteristic in long term, So, for the quantitative assessment on durability performance of concrete, modelings of early age concrete based on hydration process and micor-pore structure formation characteristics are important. In this paper, a micromechanics based hydration heat evolution model is adopted and a quantitative model which can simulate micro-pore structure development is also verified with experimental results. The models can be used effectively to simulate the early-age behavior of concrete composed of different mix proportions.
A micromechanics-based model to simulate the elastic and elastic-plastic behavior of granular soils is developed. The model accounts for the fabric anisotropy represented by the statistical parameter of the spatial distribution of contact normals, the evolution of fabric anisotropy as a function of stress ratio, the continuous change of the co-ordination number relating to the void ratio, and the elastic and elastic-plastic microscopic contact stiffness. Using the experimental data for metallic materials, the elastic-plastic contact stiffness is derived as a power function of the normal contact force as well as the contact force initiating the yielding of contact bodies. To quantitatively assess microscopic model parameters, approximate solutions of cross-anisotropic elastic moduli are derived in terms of the micromechanical parameters.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.6
no.3
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pp.58-64
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1997
A micromechanics model to describe the elastic behavior of fiber or whisker reinforced metal matrix composites was developed and the stress concentrations between reinforcements were investigated using the modified shear lag model with the comparison of finite element analysis (FEA). The rationale is based on the replacement of the matrix between fiber ends with the fictitious fiber to maintain the compatibility of displacement and traction. It was found that the new model gives a good agreement with FEA results in the small fiber aspect ratio regime as well as that in the large fiber aspect ratio regime. By the calculation of the present model, stress concentration factor in the matrix and the composite elastic modulus were predicted accurately. Some important factors affecting stress concentrations, such as fiber volume fraction, fiber aspect ratio, end gap size, and modulus ratio, were also discussed.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.441-444
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2007
This paper presents a part of micormechanics-based elastic modeling (Lee and Pyo, 2007) of particle-reinforced composites containing slightly weakened interfaces. The Eshelby's tensor for a damaged ellipsoidal inclusion to model particles with slightly weakened interfaces is incorporated into a micormechanical formulation by Ju and Chen (1994). A damage model in accordance with the Weibull's probabilistic function is also developed to simulate the progression of weakened interface in the composites.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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