전위 소성과 크기 종속 파손을 고려한 SiC_p/Al2124-T4 복합재의 계층적 유한요소 모델링

서영성,김용배,Suh, Yeong-Sung,Kim, Yong-Bae 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.2

일반적으로 복합재의 강도에 대한 크기 효과는 입자강화 알루미늄 복합재 제조시, 입자와 기지재를 압밀한 후 냉각할 때 입자와 기지재 사이의 열팽창계수 차에 의하여 기지재에 펀칭되는 기하적 필수 전위와, 변형 중 입자와 기지재사이의 탄소성 강성도 차로 인해 발생하는 변형률 구배 소성으로 인한 기하적 필수 전위가 주로 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 이러한 두 종류의 기하적 필수 전위를 전위 소성 이론에 입각하여 강도로 환산한 후 계층적으로 입자 주위 유한요소 영역에 할당하여 동일한 체적비에서 입자의 크기에 따라 변화하는 복합재의 파손 거동을 효과적으로 예측하였다. 이 방법을 적용함으로써 구형입자의 경우 간단한 축대칭 유한요소 모델링과 실험데이터를 연계하여 입자강화 복합재의 입자 크기 의존 강도 및 파손 효과를 수월하게 예측할 수 있음을 보였다. 또한 서로 다른 입자의 체적비 및 크기에 대하여SiC강화 알루미늄 2124-T4 복합재의 강도와 파손 거동이 분명한 차이가 있음을 보인다. The strength of particle-reinforced metal matrix composites is, in general, known to be increased by the geometrically necessary dislocations punched around a particle that form during cooling after consolidation because of coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between the particle and the matrix. An additional strength increase may also be observed, since another type of geometrically necessary dislocation can be formed during extensive deformation as a result of the strain gradient plasticity due to the elastic-plastic mismatch between the particle and the matrix. In this paper, the magnitudes of these two types of dislocations are calculated based on the dislocation plasticity. The dislocations are then converted to the respective strengths and allocated hierarchically to the matrix around the particle in the axisymmetric finite-element unit cell model. The proposed method is shown to be very effective by performing finite-element strength analysis of $SiC_p$/Al2124-T4 composites that included ductile failure in the matrix and particlematrix decohesion. The predicted results for different particle sizes and volume fractions show that the length scale effect of the particle size obviously affects the strength and failure behavior of the particle-reinforced metal matrix composites.

변형률 구배 소성을 고려한 입자 강화 알루미늄 복합재의 크기 종속 강화 모델링

서영성(Yeong Sung Suh),박문식(Moon Shik Park),송승(Seung Song) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.7

입자강화 알루미늄 복합재의 강도를 계산하기 위하여 압밀 후 냉각할 때 일어나는 전위 펀칭을 유한요소로 모델링 하였다. 다양한 입자의 체적비에서 입자의 크기가 강도에 미치는 영향을 고려하기 위하여 강화 입자 주위에 변형률 구배 소성과 테일러 전위 모델을 적용하였다. 변형률 구배는, 구형 단위 셀이 냉각하는 동안 입자와 기지재의 열팽창계수 차이에 의한 전위 펀칭이 일어날 때 형성되는등가소성변형률로부터 구하였다. 펀칭된 영역에 걸쳐 평균적으로 변형률 구배를 고려함으로써 항복 응력이 증가하는 것을 관찰하였다. 유한요소 해석을 활용하여 다양한 입자 크기와 체적비에 대하여 SiC 강화 알루미늄 356-T6 복합재의 축대칭 단위 셀의 인장시 강도의 변화를 예측하였다. 예측된 강도는 실험 데이터와 잘 일치하며, 입자 크기 의존 효과를 분명히 보인다. This study proposes finite element modeling of dislocation punching at cooling after consolidation in order to calculate the strength of particle-reinforced aluminum composites. The Taylor dislocation model combined with strain gradient plasticity around the reinforced particle is adopted to take into account the size-dependency of different volume fractions of the particle. The strain gradients were obtained from the equivalent plastic strain calculated during the cooling of the spherical unit cell, when the dislocation punching due to CTE (Coefficient of Thermal Expansion) mismatch is activated. The enhanced yield stress was observed by including the strain gradients, in an average sense, over the punched zone. The tensile strength of the SiCp/Al 356-T6 composite was predicted through the finite element analysis of an axisymmetric unit cell for various sizes and volume fractions of the particle. The predicted strengths were found to be in good agreement with the experimental data. Further, the particle-size dependency was clearly established.

길이 스케일을 고려한 입자강화 복합재의 연속체 강도해석

서영성(Yeong Sung Suh),Shailendra P. Joshi,K. T. Ramesh 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

A continuum based microstructural modeling of particle-reinforced composites including length-scale is presented. The proposed method features finite-element representation of the particles in a matrix along with their size dependent strengthening due to geometrically necessary dislocations (GND), which is punched to the matrix by the plastic relaxation of residual stresses caused by coefficients of thermal expansion mismatch between the particle and the matrix. Results show that predicted 0.2% offset yield stresses are increasing with smaller inclusions and larger volume fractions and this length-scale effect on the enhanced strength can be observed by explicitly including GND region around the particle. It was also observed from the effective plastic strain contours that the failure may occur in four different patterns inside and outside the GND boundaries. The proposed method may be easily utilized for the strength design of particle-reinforced composites.

입자 강화 금속기지 복합재의 연속체 강도해석을 위한 전위 펀칭 이론의 전산적 평가

서영성(Yeong Sung Suh),김용배(Yong Bae Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.3

입자 강화 복합재료는 입자의 크기가 감소할수록 그 항복강도가 증가하므로, 입자의 크기에 대한 길이 스케일을 보인다. 항복강도에 대한 이러한 길이 스케일은 복합재가 압밀된 후 냉각될 때 기지재와 입자간 열팽창계수의 상이함에 의하여 입자 주위 기지재에 펀칭되는 기하적 필수 전위가 주된 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 입자 강화 복합재의 연속체 강도해석 모델링에 사용할 수 있는 두 가지 전위 펀칭 이론들에 대하여 전산적으로 검토하였다. 즉, 입자 주위에 펀치되는 전위 영역의 크기를 계산하는 대표적인 두 가지 이론들인 Shibata 등 및 Dunand and Mortensen 이론으로부터 전위 펀치 영역의 크기를 계산하고, 이를 유한요소해석에 적용하여 복합재의 항복 강도를 예측하였으며 실험값과 정성적으로 비교하였다. 본 연구에서 입자가 매우 작은 경우, 즉, 입자의 크기가 2?m이하인 경우에 두 이론 간에 극명한 차이를 보여주었으며, Shibata 등의 정식이 정성적으로 실험값에 더 근사한 것을 확인하였다. The yield strength of particle-reinforced composites increases as the size of the particle decreases. This kind of length scale has been mainly attributed to the geometrically necessary dislocation punched around the particle as a result of the mismatch of the thermal expansion coefficients of the particle and the matrix when the composites are cooled down after consolidation. In this study, two dislocation-punching theories that can be used in continuum structural modeling are assessed numerically. The two theories, presented by Shibata et al. and Dunand and Mortensen, calculate the size of the dislocationpunched zone. The composite yield strengths predicted by finite element analysis were qualitatively compared with experimental results. When the size of the particle is less than 2μm, the patterns of the composite strength are quite different. The results obtained by Shibata et al. are in qualitatively better agreement with the experimental results.

탈착식 자전거 캐리어용 흡착 패드의 실험 및 전산적 방법을 활용한 구조해석

서영성(Suh, Yeong Sung),임근원(Lim, Geun Won) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.3

자동차에 부착하여 사용하는 자전거 캐리어 지지용 흡착 패드는 운행 중 임의의 진동과 원심력과 같은 과도한 동적 하중을 받을 수 있어, 구조 안전성의 검토가 중요하다. 이를 위해서는 유체-구조 연계 유한요소해석을 이용하여 패드의 하부 압력이 패드에 가해지는 하중이나 모멘트의 변화에 따라 실시간으로 변화하는 것을 고려하여야 하나, 실제 상황의 모델링이 어렵고 계산을 위한 소프트웨어 비용이 높은 단점이 있기도 하지만, 정확한 결과를 얻기도 어렵다. 따라서 이 논문에서는 실험과 전산적인 방법을 조합하여 활용하는 새로운 방법을 제시한다. 이는 변화하는 하중에 따라 패드 하부의 압력과 접촉 면적을 실시간으로 측정하고 여기서 얻어진 데이터를 비선형 탄성 유한요소해석에 입력하여 활용하는 방법이다. 개발 단계의 제품 형상으로 실험 및 계산을 수행한 결과, 마운트 패드는 축 방향 하중에 대해서는 비교적 안전하나, 회전 하중이 과도하게 작용할 경우 패드가 바닥으로부터 분리되거나 패드 표면에 국부적인 손상이 일어날 수 있어 안전 여유가 많지 않음을 보여주었다. 작용하는 하중의 크기 및 형태에 따라 변화하는 접촉 거동을 예측하는 결과는 실험 결과와 잘 일치하였다. 본 연구에서 제안하는 해석 방법은 유사한 흡착 패드 시스템을 설계할 때 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다. As the suction pad-supporting bike carrier attached to a car may be subject to an excessive dynamic load due to random vibrations and centrifugal forces during driving, its structural safety is of great concern. To examine this, the finite-element method with a fluid-structure interaction should be used because the pressure on the pad bottom is changed in real time according to the fluctuations of the force or the moment applied on the pad. This method, however, has high computing costs in terms of modeling efforts and software expense. Moreover, the accuracy of computation is not easily guaranteed. Therefore, a new method combining the experiment and computation is proposed in this paper: the bottom pressure and contact area of the pad under varying loads was measured in real time and the acquired data are then used in the nonlinear elastic finite-element calculations. The computational and experimental results obtained with the product under development showed that the safety margin of the pad under the axial loading is relatively sufficient, whereas with an excessive rotational loading, the pad is vulnerable to separation or a local surface damage; hence, the safety margin may not be secured. The predicted contact behavior under the variation of the magnitude and type of the loading were in good agreement with the one from the experiment. The proposed analysis method in this study could be used in the design of similar vacuum pad systems.

Micromechanical modeling of strengthening of trimodal composites with length scale

Yeong Sung Suh(서영성),Chang Gyeom Kim(김창겸),Moon Shik Park(박문식) 대한기계학회 2012 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2012 No.2

고성능 컴퓨팅 기반 디지털매뉴팩처링 교과목의 산·학·연 협력 운영에 관한 사례연구

서영성(Suh, Yeong Sung),박문식(Park, Moon Shik),이상민(Lee, Sang-Min) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.2

제품 및 설비의 3차원 디지털 모델을 기반으로 제품 생산 시 이루어지는 모든 공정 및 제품을 구성하는 재료의 기계적 거동 등을 초기 설계 과정에서 미리 시뮬레이션 해봄으로써 저비용으로 보다 신속하고 신뢰성 있는 설계를 할 수 있도록 돕는 일련의 기술들을 디지털매뉴팩처링 기술이라 부른다. 그러나 이 기술들을 수행할 수 있는 전산적 인프라스트럭 처의 가격이 매우 높을 뿐만 아니라, 특히 중소 제조 기업규모에서는 그러한 시뮬레이션 결과를 정확하고도 효율적으로 설계 에 적용할 수 있는 전문 인력이 절대적으로 부족한 실정이다. 이러한 점을 고려하여 한국과학기술정보연구원(KISTI), H대학 교 그리고 지역 중소기업체 등이 협력하여 고성능 컴퓨팅 기반 디지털 제조 전문 인력 양성을 위한 산학연 협동 디지털매뉴 팩처링(DM) 트랙을 H대학교에 설치하여 운영 중이다. 본 논문에서는 이 과정을 이수하는 학생들이 졸업 후에 산업체에서 디지털매뉴팩처링 실무에 바로 투입되어 일할 수 있는 일련의 교육 과정 사례를 보여준다. 2013년부터 2년간 진행했던 디지 털매뉴팩처링 트랙 강의의 운영 사례를 수록하되, 설립 과정, 강의 내용, 실습 내용, 학생들의 평가 및 개선 방향 등을 정리하 였다. 전반적으로 트랙 운영, 교과목 운영, 학생들의 학습 성취도 면에서는 성공적이었으며, 향후 보다 많은 학생들의 활발한 참여와 더불어 취업이나 인턴십 제공, 캡스톤디자인프로젝트의 협동 운영 등을 포함한 참여 기업의 보다 적극적인 관심을 촉진하여, 전국적인 디지털매뉴팩처링 인력 양성 네트워크로 확대해 나갈 수 있을 것으로 보인다. Digital manufacturing (DM) technology helps engineers design products promptly and reliably at low production cost by simulating a manufacturing process and the material behavior of a product in use, based on three-dimensional digital modeling. The computing infrastructure for digital manufacturing, however, is usually expensive and, at present, the number of professional design engineers who can take advantage of this technology to a product design accurately is insufficient, particularly in small and medium manufacturing companies. Considering this, the Korea Institute of Science and Technology Information (KISTI) and H University is operating a DM track in the form of Industry-University-Research Institute collaboration to train high-performance-computing-based DM professionals. In this paper, a series of courses to train students to work directly into DM practice in industry after graduation is reported. The operating cases of the DM track for two years since 2013 are presented by focusing on the progress in establishment, lecture and practice contents, evaluation of students, and course quality improvement. Overall, the track management, curriculum management, learning achievement of students have been successful. By expediting more active participation of the students in the track and providing more internship and job offers in the participating companies in addition to collaborative capstone design projects, the track can be expanded by fostering a nationwide training network.

가상생산 및 실험을 통한 폴리에틸렌관과 금속관 일체형 볼 밸브의 개발에 관한 연구

서영성(Yeong Sung Suh),유제혁(Je Hyuk Yoo),지민욱(Min Wuk Ji),송정현(Jeong Hyun Song),이재윤(Jae Yoon Lee) 한국가스학회 2010 한국가스학회지 Vol.14 No.1

가스 파이프의 배관 작업 중 작업 공정 수 및 단가를 낮추는 방법으로 PE관과 강관 일체형 볼 밸브를 개발하였다. 이를 위하여 먼저 유한요소해석을 근간으로 한 가상생산 지원 설계를 수행하여 누설에 대한 안전성을 갖는 프로토타입 제품 설계안을 제시하고, 이를 검증하기 위하여 누설 시험을 병행하는 통합적인 방법을 취하였다. 다양한 설계모델을 대상으로 내압에 대한 접촉해석을 수행하여 제안된 최종설계안으로부터, 여름(ΔT= 60 ℃)과 겨울(ΔT= -50 ℃)의 과장된 온도의 변화조건에도 비교적 광범위한 부분에서 최대 접촉압력이 각각 71 MPa, 및 8.1 MPa을 유지할 것을 예측하였다. 최종설계안을 바탕으로 시제품을 만들어, 열간 내압크리프 시험을 수행하였으며 사용압력(0.25 MPa)보다 훨씬 높은 가압조건(54 MPa)에서도 기밀을 유지하는 것을 확인하였다. In order to reduce the number of installation processes and the cost, a unified ball valve and polyethylene-steel pipe is proposed and tested. An integrated design approach is carried out such that a virtual manufacturing based on finite-element analysis is first performed in order to examine contact conditions under exaggerated temperature variations (ΔT= 60 ℃ and -50 ℃ for summer and winter, respectively). From the final design configuration, it was predicted that the maximum contact pressures are 71 and 8.1 MPa for summer and winter, respectively, at relatively larger contact surface. Based on this observation, a prototype model is fabricated to go through an actual leakage test. The prototype pipe passed a hydrostatic strength test successfully, showing no leakage at even much higher (54 MPa) than the operational pressure (0.25 MPa).

기계공학과 신입생을 위한 전공 기초 수학 강의 사례

서영성(Yeong Sung Suh) 대한기계학회 2023 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2023 No.6

전위 소성과 크기 종속 파손을 고려한 SiC<SUB>p</SUB>/Al2124-T4 복합재의 계층적 유한요소 모델링

서영성(Yeong Sung Suh),김용배(Yong Bae Kim) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.2

일반적으로 복합재의 강도에 대한 크기 효과는 입자강화 알루미늄 복합재 제조시, 입자와 기지재를 압밀한 후 냉각할 때 입자와 기지재 사이의 열팽창계수 차에 의하여 기지재에 펀칭되는 기하적 필수 전위와, 변형 중 입자와 기지재사이의 탄소성 강성도 차로 인해 발생하는 변형률 구배 소성으로 인한 기하적 필수 전위가 주로 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 이러한 두 종류의 기하적 필수 전위를 전위 소성 이론에 입각하여 강도로 환산한 후 계층적으로 입자 주위 유한요소 영역에 할당하여 동일한 체적비에서 입자의 크기에 따라 변화하는 복합재의 파손 거동을 효과적으로 예측하였다. 이 방법을 적용함으로써 구형입자의 경우 간단한 축대칭 유한요소 모델링과 실험데이터를 연계하여 입자강화 복합재의 입자 크기 의존 강도 및 파손 효과를 수월하게 예측할 수 있음을 보였다. 또한 서로 다른 입자의 체적비 및 크기에 대하여 SiC강화 알루미늄 2124-T4 복합재의 강도와 파손 거동이 분명한 차이가 있음을 보인다. The strength of particle-reinforced metal matrix composites is, in general, known to be increased by the geometrically necessary dislocations punched around a particle that form during cooling after consolidation because of coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between the particle and the matrix. An additional strength increase may also be observed, since another type of geometrically necessary dislocation can be formed during extensive deformation as a result of the strain gradient plasticity due to the elastic-plastic mismatch between the particle and the matrix. In this paper, the magnitudes of these two types of dislocations are calculated based on the dislocation plasticity. The dislocations are then converted to the respective strengths and allocated hierarchically to the matrix around the particle in the axisymmetric finite-element unit cell model. The proposed method is shown to be very effective by performing finite-element strength analysis of SiCp/Al2124-T4 composites that included ductile failure in the matrix and particlematrix decohesion. The predicted results for different particle sizes and volume fractions show that the length scale effect of the particle size obviously affects the strength and failure behavior of the particle-reinforced metal matrix composites.