A THERMO-ELASTO-VISCOPLASTIC MODEL FOR COMPOSITE MATERIALS AND ITS FINITE ELEMENT ANALYSIS

Shin, Eui-Sup The Korean Society for Energy 2002 Journal of Theoretical and Applied Mechanics Vol.3 No.1

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.

분리-혼합 기법을 이용한 일방향 다공성 복합재료의 열탄성 계수 예측

신의섭 ( Eui Sup Shin ) 한국복합재료학회 2012 Composites research Vol.25 No.2

본 논문에서는 일방향 섬유강화 복합재료의 열-기공-탄성 거동을 효과적으로 기술하기 위하여 미시역학에 기반을 둔 분리-혼합 기법을 적용하였다. 온도 증가에 따른 열팽창, 내부 기공에서의 가스 압력, 열분해 과정의 수축 변형 효과를 정식화 과정에 모두 포함하였다. 유도된 구성 방정식을 검증하기 위한 비교 대상으로서 복합재료 이차원 단층의 대표 체적 요소를 유한요소법으로 모델링하고, 다양한 하중 조건에 대하여 해석하였다. 즉, 대표 체적 요소에 분포된 전체 평균 응력과 변형도 등을 구하여, 분리-혼합 기법에 의해 예측된 해당 결과 값을 서로 비교하였다. 도출된 수치 결과를 분석함으로써 제안된 복합재 료의 열-기공-탄성 거동 예측 기법의 유용성을 확인하였다. A thermo-poro-elastic constitutive model of unidirectionally fiber-reinforced composite materials is suggested by extending the unmixing-mixing scheme which is based upon composite micromechanics. The strain components of thermal expansion due to a temperature change, gas pressure in pores, and chemical shrinkage are included in the constitutive model. On purpose to verify the derived constitutive relations, the representative volume element of two-dimensional lamina subject to various loading conditions is analyzed by the finite element method. The overall stress and strain responses are obtained, and compared with the predicted values by the unmixing-mixing scheme. The numerical results show the usefulness of the proposed model to predict the thermoelastic behavior of porous composites.

잔류응력을 고려한 원통형 복합재 튜브의 해석 및 최적 설계

신의섭(Eui Sup Shin) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.1

복합재료 성형 과정에서 발생하는 잔류응력의 효과를 고려한 원통형 튜브의 해석 및 최적 설계 문제를 취급하였다 준정적 열탄성 이론에 근거한 해석적인 기법을 이용하여 두꺼운 벽을 갖는 적충 복합재 튜브의 웅력 분포를 계산하였다. 실제 축대칭 하중을 받는 복합재 튜브의 강도 관련 성능을 향상시키기 위하여, 응력 성분에서 산출되는 파손 지수를 최소화하는 최적 설계 문제를 설정하였다. 직교 적충 구성에 대한 계산 결과, 층 두께를 조절함으로써 잔류응력을 일정 수준으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 적충 각도와 순서, 전체 두께, 축대칭 하중이 최적화 결과에 미치는 영향에 대해서 면밀히 고찰하였다. This paper deals with the analysis and optimum design of cylindrical composite tubes considering process-induced residual stresses. The thermomechanical stresses in the thick-walled multi-layered composite tubes are calculated with an analytical model based on quasi-static thermoelasticity. An optimum design problem is then presented to improve the strength-related performance of the cylindrical composite tubes subject to axisymmetric external loads as well as to residual stresses. The numerical results show that, in the case of cross-ply tubes, the residual stresses can be reduced to a certain level by controlling ply thicknesses. In addition, the effects of ply orientation, stacking sequence, wall thickness, etc. are carefully examined.

유한요소법을 이용한 열탄점소성 복합재료의 이차원 동특성 해석

신의섭(Eui-Sup Shin),김승조(Seung-Jo Kim) 한국항공우주학회 1997 韓國航空宇宙學會誌 Vol.25 No.3

소장 및 대장에서 발생한 원발성 장 림프종

신의섭(Eui Sup Shin),유창식(Chang Sik Yu),허주령(Joo Ryung Huh),엄대운(Dae Woon Eom),서철원(Cheol Won Suh),이제환(Je Hwan Lee),강윤구(Yoon Koo Kang),남궁환(Hwan Namgung),김희철(Hee Cheol Kim),김진천(Jin Cheon Kim) 대한외과학회 2003 Annals of Surgical Treatment and Research(ASRT) Vol.65 No.2

영역/경계 분할법을 적용한 기계적 삭마 과정의 열구조 연계 해석

신의섭(Eui Sup Shin),김성준(Sung Jun Kim),김종일(Jong Il Kim) 한국항공우주학회 2011 韓國航空宇宙學會誌 Vol.39 No.1

이차원 구조물의 열응력 및 기계적 삭마 과정 해석을 위하여 영역/경계 분할법에 근거한 유한요소법을 적용하여 열구조 연계 정식화를 수행하였다. 삭마 재료 거동의 온도 의존성과 열분해 반응으로 인한 재료 비선형성 및 열복사와 같은 비선형 경계 조건을 일부 부영역과 공유면에 한정할 수 있다. 문제를 단순화하기 위해 열화학적 삭마 효과는 고려하지 않았으며, 기계적 삭마에 따른 표면 후퇴 판정 기준으로 열응력 해석을 통한 최대면내 전단 응력을 선택하였다. 간단한 수치 실험을 수행하여 제안된 기법의 신뢰성에 대한 분석과 기계적 삭마 과정의 기본적인 경향을 파악하였다. A coupled thermal/structural analysis of mechanical ablation is performed based on domain/boundary decomposition and finite element method. The ablative material non -linearity and boundary non-linearity can be easily localized within a few subdomains and/ or on the boundary interfaces. An enthalpy method is applied to simplify the effect of heat of pyrolysis in the ablative subdomains. In addition, maximum in-plane shear stress is considered as a surface recession criterion for the mechanical ablation simulation. The basic characteristics of the proposed method are examined carefully through numerical experiments.

열복사를 고려한 열기계학적 해석을 위한 유한요소 부영역 결합법의 적용

신의섭(Eui Sup Shin),진지만(Ji Man Jin) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.11

A finite element method based on the penalized subdomain-interface framework is proposed for fully-coupled, nonlinear thermomechanical analyses with thermal contact and/or radiation boundaries. In the variational formulation, a penalty functional scheme is adopted for connecting subdomains and interfaces that satisfy continuity requirements. As a consequence, the domain can be arbitrarily divided to independently- modeled subdomains without considering the conformity of meshes. Since nonlinearities due to the radiation boundaries can be localized in a few subdomains, the computational efficiency is increased with appropriate algorithms. By solving numerical problems, these advantageous characteristics are confirmed carefully.

영역 및 복사 경계의 완전 분할을 통한 유한요소 열전달 해석의 효율화

신의섭(Eui Sup Shin),김용언(Yong Uhn Kim),김성준(Sung Jun Kim) 대한기계학회 2008 大韓機械學會論文集A Vol.32 No.10

An efficient domain/boundary decomposition method is applied for heat transfer problems with non-linear thermal radiation boundaries. The whole domain of solids or structures is considered as a set of subdomains, an interface, and radiation interfaces. In a variational formulation, simple penalty functions are introduced to connect an interface or radiation interfaces with neighboring subdomains that satisfy continuity conditions. As a result, non-linear finite element computations due to the thermal radiation boundaries can be localized within a few subdomains or radiation interfaces. Therefore, by setting up suitable solution algorithms for the governing finite element equations, the computational efficiency can be improved considerably. Through a set of numerical examples, these distinguishing characteristics of the present method are investigated in detail.

유한요소 부영역의 결합을 통한 복합재료 구조물의 동적 접촉 해석

신의섭(Eui Sup Shin) 한국항공우주학회 2003 韓國航空宇宙學會誌 Vol.31 No.5

유한요소 부영역 결합법을 이용한 열기계학적 접촉 해석

신의섭(Eui sup Shin),진지만(Ji Man Jin) 한국항공우주학회 2005 韓國航空宇宙學會誌 Vol.33 No.11

접촉 현상을 포함하는 완전 연계된 열기계학적 문제에 대한 정확하고 효율적인 해석을 위하여 부영역과 공유면에 근거한 유한요소 정식화 기법을 제안하였다. 부영역과 공유면을 결합하기 위한 등식 적합 조건을 벌칙 함수로 처리함으로써 모든 유효 강성 행렬이 양정치화되며, 역행렬과 같은 각종 수치 연산이 매우 간편하다. 또한 전체 구조 형상이 복잡하더라도 대상 영역을 임의의 부영역으로 분할한 후, 공유면에서의 절점 연속성 등을 고려하지 않고 각 부영역을 독립적으로 유한요소 모델링할 수 있다. 컴퓨터 코드의 개발 및 수치 예제의 해석을 통하여 본 기법에 대한 기본적인 특성을 확인하였다. A subdomain-interface finite element method is suggested to solve a class of fully-coupled thermo mechanical problems with contact boundaries. The penalty method is used for connecting subdomains that satisfy interface compatibility conditions. As a result, effective stiffness matrices are always positive definite, and computational efficiency can be improved to a considerable degree. Moreover, any complex-shaped domain can be divided into independently modeled subdomains without considering the conformity of meshes on interfaces. Using a computer code based on the present method, these advantageous features are shown through a set of numerical studies.