구성방정식에 따른 고무 분기점 거동 비교 연구

박문식(Moon Shik Park),송승(Seung Song) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.6

설계 또는 해석을 위해 고무를 모델링할 때, 쓸 수 있는 구성방정식이 너무 많음으로 말미암아 종종 당황하거나 수수께끼 같은 일을 경험할 때가 있다. 어떤 모델들은 몇 개의 재료상수만을 갖지만 또 다른 모델들은 많은 수의 재료상수를 갖는다. 연구자들은 광범위한 실험데이터를 준비하여 신중하게 피팅을 하여야 한다. 본 논문에서는 먼저 8배 정도까지 큰 신장 영역에 대해 대표적인 고무재료의 구성방정식들을 비교해 보았다. 대부분의 공학적 응용에서처럼 상대적으로 변형이 적은 경우에는 연속체기반모델 또는 체인분자모델이 유사하게 쓰일 수 있지만, 대부분 생체적 거동에서 볼 수 있는 큰 변형의 경우에는 체인분자모델들이 더 유용함을 알 수 있었다. 구성방정식에 따른 분기점의 존재 여부를 알아보기 위하여 트렐로어 패치와 원통형 막대풍선에 대한 분기점 해석을 이론적 및 수치적으로 수행하였다. 키슬리의 조건식으로부터 트렐로어 패치에서의 분기점은 연속체기반 모델에서는 존재하였으나 체인분자모델에서는 존재하지 않음을 보였다. 원통형 막대풍선은 축신장 허용의 경계조건에 대해서는 모든 모델들이 분기점 거동을 보여주었다. 따라서 고무의 분기점 거동을 구하고자 할 때는 분기점의 존재유무 자체가 재료모델의 선정에 의존적이라 할 수 있다. Modeling of rubber for design or analysis often requires confusing or complex work because there are a large number of constitutive models to be considered. Some models have few material constants, while others have many. Researchers have to prepare and fit extensive experimental data with caution and discretion. In this paper, we first compared some typical rubber models in which deformation was carried out by stretching up to around eight times the original size. We conclude that continuum-based models and chain molecular models can be used in the study of the small deformation in most engineering applications, but chain molecular models are preferred in the study of the large deformations in most biomaterial applications. As discrimination problems, Treloar's patch and cylindrical balloon stick are tested theoretically and numerically for studying bifurcation. In the case of Treloar's patch, by using the Kearsley's equation, we show that bifurcation exists for continuum-based models but not for chain molecular models. Both models show bifurcation in the cylindrical balloon stick. Therefore, in the analysis of the bifurcation of rubber showed that its existence also depends on the constitutive model selected.

다양한 구성방정식에 따른 터널 거동해석

김영민(Young-Min Kim),강성귀(Seong-Gwi Kang) 한국암반공학회 2010 터널과지하공간 Vol.20 No.2

본 논문에서는 여러 가지의 구성방정식 모델을 이용하여 NATM 터널의 유한요소 해석의 적용에 대하여 설명하였다. 일련의 2차원 평면변형률 조건하 NATM 터널의 지반-구조물에 대한 해석을 분석하였다. 사용한 4가지 구성방정식 모델로는 선형탄성, Mohr-Coulomb 탄소성, 변형경화, 연화지반모델이다. 터널설계에서는 지표면의 침하, 지보재 축력에 대한 적절한 예측이 필요하다. 수치해석결과 진보된 구성방정식 모델이 지반변형과 지보재의 축력에 대해 보다 적절한 결과를 나타내었다. The paper presents the application of FE simulations of NATM tunnel using different constitutive models. The results from a series of two dimensional plane strain finite element analyses of medium-liner interaction for NATM are presented. Four types of constitutive models are considered, namely, linear elastic, elasto-plastic Mohr-Coulomb, Hardening-Soil, Soft-Soil model. The design for tunnels requires a proper estimate of surface settlement and lining forces. It is shown that the advanced constitutive model gives better predictions for both ground movement and structural forces.

폴리머 폼의 비선형 인장거동을 모사하기 위한 기공이 고려된 손상 탄성 구성방정식

권순범,이제명 한국전산구조공학회 2018 한국전산구조공학회논문집 Vol.31 No.4

폴리머 폼은 다공성을 가장 큰 특징으로 하는 재료이기 때문에, 본 연구에서 비가역 열역학 관점을 기반으로 폴리머 폼의 기공 성장 및 합체를 고려한 손상 탄성 구성방정식을 개발하였으며, 개발된 구성방정식은 unilateral 손상의 효과를 고려하였다. 유한요소해석의 적용을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS의 사용자 서브루틴 UMAT을 이용하여 제안된 구성방정식을 수치적으로 구현하였다. 비선형 유한요소해석 결과와 폴리머 폼의 인장 시험 결과와 비교를 통해 제안된 손상 모델의 유효성을 검증하였으며, 제안된 구성방정식의 재료모델상수가 손상에 미치는 영향에 대해 분석하였다. This paper details the development of an isotropic elastic-damage constitutive model for polymeric foam based on irreversible thermodynamics to consider the growth and coalescence of voids. The constitutive equations describe the material behavior sustaining unilateral damage. To facilitate finite element analysis, the material properties for specific types of polymeric foams are applied to the developed model; the model is then implemented in ABAQUS as a user-defined material subroutine. To validate the developed damage model, the simulated results are compared to the results of a series of tensile tests on various polymeric foams. The proposed damage model can be utilized to further research on continuum damage mechanics and finite element analysis of polymeric foams in computational engineering.

MLP, GR, RBF 인공신경망을 이용한 분자 동역학 데이터 기반 초탄성 구성방정식 모델링

김수한,왕호림,이원주,안병혁,김유정,이주호,신현성 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.1

In this study, three neural network models are used to establish neural network constitutive models (NNCMs) for hyperelastic materials: multilayer perceptron neural network, generalized regression neural network, and radial basis function neural network (RBFNN). We focused on artificial neural network training of the dataset: full atomistic molecular dynamics simulation results. We obtained the optimal hyperparameters empirically for each neural network model to construct an optimal NNCM. The three models above were compared based on statistical error analysis. The results indicated that the RBFNN model had the highest accuracy in terms of the root-mean-square error, mean absolute error, and regression values. We applied the proposed NNCM model to data-driven computational mechanics to verify the proposed NNCM model, with the data-driven solver demonstrating superior performance of RBFNN-based NNCM over those of the other neural network models. 본 연구에서는 다층 퍼셉트론 신경망(MLPNN), 일반화 회귀 신경(GRNN) 및 방사형 기저 함수 신경망(RBFNN)의 세 가지 다른 신경망 모델을 사용하여 초탄성 물질에 대한 신경망 구성방정식 모델(NNCM)을 구축하였다. 분자 동역학(MD) 데이터셋을 학습에 활용하였으며, 최적의 NNCM의 구축을 위해 경험적으로 최적의 하이퍼파라미터를 선정하였다. 위의 세 가지 모델을 통계적 오류 분석을 기반으로 비교하였다. 그 결과 RBFNN 모델이 RMSE, MAE 및 R 값 측면에서 다른 모델에 비해 더 적합하다는 것을 확인하였다. 제안된 NNCM 모델을 데이터 기반 전산역학(DDCM)에 적용하여 제안된 NNCM 모델의 성능을 비교하였다.

향상된 콘크리트 동적거동 전산모사를 위한 수정된 RHT 콘크리트 모델 구성

신원준(Won Jun Shin),박휘산(Hwisan Park),한지훈(Jihoon Han) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

화약폭발이나 물체간 고속충돌과 같은 동적거동은 대변형을 유발하는 비선형성이 큰 문제이다. 이를 실험적으로 진행하기에는 비용과 시설 규모 등의 문제로 어려움이 따른다. 최근에는 전산역학의 발전으로 복합한 물리현상을 전산해석을 통해 평가할 수 있다. 콘크리트 재료의 동적거동을 거시적인 수준에서 표현할 수 있는 고급탄소성모델인 RHT 콘크리트 모델은 주로 방호벽이나 원자로 등의 구조물 폭발 및 충돌해석에 이용된다. 이러한 동적거동을 분석하기 위해서는 재료의 역학적인 거동을 수학식으로 표현할 수 있는 재료모델이 요구된다. 기존 연구들은 잔류강도의 과대평가로 인해 경화현상을 보이거나 변형률 속도에 따른 동적증가계수가 보수적으로 고려되어 동적인장강도가 낮게 평가되었다. 본 연구에서는 User-subroutine을 통해 개선된 모델을 바탕으로 잔류강도를 응력상태에 따라 조정할 수 있도록 매개변수를 추가하였고 변형률 속도에 의존하는 동적증가계수 수식을 수정하였다. 따라서 본 연구는 다양한 동적 하중 스케일에 따라 재료의 항복강도를 설정할 수 있도록 동적증가계수를 고려하고 이를 User-subroutine을 활용하여 수정된 수치모델을 제안한다. 제안된 모델의 검증을 위해 탄두 충돌 및 관통에 관한 두 가지 실험데이터에 대하여 전산 모사를 수행하였으며, 관통 깊이와 잔류속의 실험데이터와 비교분석을 통해 기존의 RHT 콘크리트 모델에 비하여 향상된 전산해석 결과를 확인하였다. Dynamic behavior, which related to gunpowder explosions or high-speed collision between objects, is a nonlinear problem that causes large deformations. It is difficult to conduct this experimentally due to problems such as costs and facility size. Recently, with the development of computational mechanics, it is possible to evaluate complex physical phenomena through numerical analysis. The RHT concrete model, an advanced elastoplastic model that can express the dynamic behavior of concrete materials at a macro level, is mainly used for explosion and collision analysis of structures such as protective walls and nuclear reactors. In order to analyze these dynamic phenomena, a constitutive model that can express the mechanical behavior of the material in a mathematical formula is required. Therefore, the modified model with User-subroutine added parameters to adjust residual strength according to stress states and modified the dynamic increase factor formula dependent on strain rate. Therefore, this study considers dynamic increase factors to establish the yield strength of materials according to various dynamic load scales and proposes a modified constitutive model by the implementation of User-subroutine. To verify the proposed model, numerical examples were performed on two experimental data related to warhead impact and perforation into concrete targets, and through comparative analysis with experimental data such as penetration depth and residual velocity, we confirmed improved results compared to the results of the original RHT concrete model.

온도효과를 고려한 자동차용 강판의 고속 인장특성 평가

김유종(Yujong Kim),허훈(Hoon Huh) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

Mechanical properties of two kinds of auto-body steel sheets are presented over a wide range of strain rates and temperatures. Tensile tests were conducted at different strain rates and temperatures to determine constitutive models for the two materials. At high temperature, strain rate sensitivity is negative and Portevin?Le Chatelier effect is observed because of dynamic strain ageing (DSA). Widely known constitutive models such as Zerilli-Armstrong and Khan-Huang-Liang models cannot describe DSA effect. Therefore, the models are modified in order to describe material strengthening due to DSA at high temperature. The modified constitutive models give good correlations with experimental data over a wide range of strain rates and temperatures including the range in which material strengthening due to DSA occurs.

표준 인장시험과 반복하중 C(T) 시험을 이용한 균열해석에서의 Chaboche 복합경화 모델 결정법

황진하,김훈태,류호완,김윤재,김진원,권형도 한국압력기기공학회 2019 한국압력기기공학회 논문집 Vol.15 No.2

Cracked component analysis is needed for structural integrity analysis under seismic loading. Under large amplitude cyclic loading conditions, the change in material properties can be complex, depending on the magnitude of plastic strain. Therefore the cracked component analysis under cyclic loading should consider appropriate cyclic hardening model. This study introduces a procedure for determining an appropriate cyclic hardening model for cracked component analysis. The test material was nuclear-grade TP316 stainless steel. The material cyclic hardening was simulated using the Chaboche combined hardening model. The kinematic hardening model was determined from standard tensile test to cover the high and wide strain range. The isotropic hardening model was determined by simulating C(T) test under cyclic loading using ABAQUS debonding analysis. The suitability of the material hardening model was verified by comparing load-displacement curves of cyclic C(T) tests under different load ratios.

고속충격을 받는 콘크리트의 동적 거동 모사를 위한 수치모델

박도현 한국자원공학회 2017 한국자원공학회지 Vol.54 No.4

To solve high velocity impact problems, such as projectile penetration and blasting, a numerical model should be established that can account for the mechanical behavior of materials under dynamic loading. The numerical model should include both the equation of state of materials, which describes the state of the materials under given loading conditions, and constitutive equations for material failure and damage. In this paper, we introduced numerical models for simulating the dynamic behavior of concrete under high velocity impact and the determination of associated parameters, and described the applicability of these models to rock mass modeling. 발사체의 관통 및 발파와 같은 고속충격 문제를 풀기 위해서는 동하중을 받는 재료의 역학적 거동을 표현할 수 있는 수치모델이 수립되어야 한다. 수치모델은 특정 하중 조건에서 재료의 상태를 나타내는 상태방정식과 재료의 파괴 및 손상과 관련된 구성방정식을 포함해야 한다. 본 고에서는 고속충격을 받는 콘크리트의 동적 거동을 모사하기 위한 수치모델과 관련 매개변수의 산정방법을 소개하고, 암반 모델링에의 활용성에 대해 기술하였다.

초정밀 표면연마를 위한 자기유변유체의 유변학적 특성 연구

임세라(Sela Lim),석종원(Jongwon Seok) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

This study presents a rheological behavior model for a magnetorheological (MR) fluid flowing through a thin channel often used in many engineering applications such as MR polishing. The degree of particles to be stiffened in MR fluid is strongly dependent upon the field strength, which enables us to control the viscosity of the fluid. The developed model encompasses wall-slip and possible squeezing core effects of MR fluid by incorporating the Navier-type slip model and the bi-viscosity constitutive model. Using this model, all possible flow modes are identified with their conditions being satisfied, and the effects of wall friction and viscosity ratio on the behaviors of MR fluids are examined and discussed.

내화구조 시뮬레이션을 위한 FR355 내화강의 고온특성 및 구성모델

조용현,박민재,안재권,류은미 한국강구조학회 2024 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.36 No.1

내화강재의 고온시 기계적 특성에 대한 연구가 많이 미흡하다. 기존 국외설계기준에서 제시하는 고온 재료모델은 일반 탄소강재의 실험결과를 바탕으로 제안되었기 때문에 제강과정에서 합금원소를 첨가하여 강재의 내화성능을 향상시킨 내화강재에 적용가능 여부가 불투명하다. 이 연구에서는 정상상태 인장실험을 결과를 바탕으로 FR355 강재의 고온 기계적 특성을 평가하였다. 화재시, 강구조부재는 연성파괴모드에 지배되지만, 강재의 파괴특성과 탄소성 모델이 미흡하여 이를 시뮬레이션화 하기에는 많은 제약이 있다. 따라서, 이 연구에서는 내화강재가 적용된 건축물의 성능기반 내화설계 유한요소해석에 필요한 기초 데이터를 제공하고자 장범위진응력-진변형률, 연성파괴특성을 효율적으로 획득하고 시뮬레이션하는 기법을 제안하였다. Elevated-temperature material properties of fire resistant steel reported in the literature have an observable scatter. They differ from material model codified in the existing design codes that are mainly based on the results of mild carbon steel. This paper investigates the elevated-temperature material properties of FR355 through steady-state tensile tests. Ductile fracture in steel structural components in a fire has been widely observed. However, its inclusion in numerical simulation has been limited due to lack of experimental data on fracture response and true stress-strain data. This paper also addresses an integrated experimental-FE analysis to calibrate ductile fracture parameters and to determine full-range true stress-strain curves. The developed material constitutive model and ductile fracture model were validated through extensive simulations of tensile coupons at elevated temperatures.