scholarly journals Evaluation of Effective Elastic, Piezoelectric, and Dielectric Properties of SU8/ZnO Nanocomposite for Vertically Integrated Nanogenerators Using Finite Element Method

2017 ◽  
Vol 2017 ◽  
pp. 1-14 ◽  
Author(s):  
Neelam Mishra ◽  
Braj Krishna ◽  
Randhir Singh ◽  
Kaushik Das
Keyword(s):  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Material Properties ◽  
Volume Fraction ◽  
Dielectric Material ◽  
Mechanical Energy ◽  
Zno Nanowires ◽  
Piezoelectric Composite ◽  
Fem Simulations ◽  
Element Method

A nanogenerator is a nanodevice which converts ambient mechanical energy into electrical energy. A piezoelectric nanocomposite, composed of vertical arrays of piezoelectric zinc oxide (ZnO) nanowires, encapsulated in a compliant polymeric matrix, is one of most common configurations of a nanogenerator. Knowledge of the effective elastic, piezoelectric, and dielectric material properties of the piezoelectric nanocomposite is critical in the design of a nanogenerator. In this work, the effective material properties of a unidirectional, unimodal, continuous piezoelectric composite, consisting of SU8 photoresist as matrix and vertical array of ZnO nanowires as reinforcement, are systematically evaluated using finite element method (FEM). The FEM simulations were carried out on cubic representative volume elements (RVEs). Four different types of arrangements of ZnO nanowires and three sizes of RVEs have been considered. The volume fraction of ZnO nanowires is varied from 0 to a maximum of 0.7. Homogeneous displacement and electric potential are prescribed as boundary conditions. The material properties are evaluated as functions of reinforcement volume fraction. The values obtained through FEM simulations are compared with the results obtained via the Eshelby-Mori-Tanaka micromechanics. The results demonstrate the significant effects of ZnO arrangement, ZnO volume fraction, and size of RVE on the material properties.

The Numerical Simulation of Effective Elastic Response for WC-Co Cemented Carbide

2015 ◽  
Vol 1096 ◽  
pp. 417-421
Author(s):  
Pei Luan Li ◽  
Zi Qian Huang
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Theoretical Model ◽  
Material Properties ◽  
Cemented Carbide ◽  
Elastic Response ◽  
The Finite Element Method ◽  
Simulation Results ◽  
Element Method

By the use of finite element method, this paper predicts the effects of the shapes of reinforcements with different ductility (Co) on the effective elastic response for WC-Co cemented carbide. This paper conducts a comparative study on the material properties obtained through theoretical model, numerical simulation and experimental observations. Simulation results indicate that the finite element method is more sophisticated than the theoretical prediction.

1E24 Material Properties Estimation for Intervertebral Disc Damage Using Finite Element Method

2015 ◽  
Vol 2015.27 (0) ◽  
pp. 193-194
Author(s):  
Keisuke Sasagawa ◽  
Masafumi Oda ◽  
Keiko Katsuyama ◽  
Kazuhiro Hasegawa ◽  
Toshiaki Hara ◽  
...  
Keyword(s):  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Intervertebral Disc ◽  
Material Properties ◽  
Element Method

Evolution of Matt Surface Topography in Aluminium Pack Rolling

2005 ◽  
Author(s):  
Hiroshi Utsunomiya ◽  
Michael P. F. Sutcliffe ◽  
Hugh R. Shercliff ◽  
Pete S. Bate ◽  
Dan B. Miller
Keyword(s):  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Surface Topography ◽  
Material Properties ◽  
Quantitative Agreement ◽  
Aluminium Foil ◽  
The Finite Element Method ◽  
Good Quantitative Agreement ◽  
Pack Rolling ◽  
Element Method

Roughening of the matt surface of pack rolled aluminium foil has been modelled. The model is based on the finite element method using isotropic plasticity. A distribution in material properties has been used to simulate the distribution of orientations through the material. The predictions of roughness show good quantitative agreement with the experiments.

THE MECHANICAL PROPERTIES OF POROUS ALUMINUM USING FINITE ELEMENT METHOD SIMULATIONS AND COMPRESSION EXPERIMENTS

2013 ◽  
Vol 1580 ◽  
Author(s):  
Max Larner ◽  
Lilian P. Dávila
Keyword(s):  
Mechanical Properties ◽  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Relative Density ◽  
Alternative Energy ◽  
Sound Insulation ◽  
Full Potential ◽  
Fem Simulations ◽  
Al Foams ◽  
Element Method

ABSTRACTLightweight porous metallic materials are generally created through specialized processing techniques. Their unique structure gives these materials interesting properties which allow them to be used in diverse structural and insulation applications. In particular, highly porous Al structures (Al foams) have been used in aircraft components and sound insulation; however due to the difficulty in processing and random nature of the foams, they are not well understood and thus they have not yet been utilized to their full potential. The objective of this project was to determine whether a relationship exists between the relative density (porous density/bulk density) and the mechanical properties of porous Al structures. For this purpose, a combination of computer simulations and experiments was pursued to better understand possible relationships. A Finite Element Method (FEM)-based software, COMSOL Multiphysics 4.3, was used to model the structure and to simulate the mechanical behavior of porous Al structures under compressive loads ranging from 1-100 MPa. From these simulated structures, the maximum von Mises stress, volumetric strain, and other properties were calculated. These simulation results were compared against data from compression experiments performed using the Instron Universal Testing Machine (IUTM) on porous Al specimens created via a computernumerically-controlled (CNC) mill. CES EduPack software, a materials design program, was also used to estimate the mechanical properties of porous Al and open cell foams for values not available experimentally, and for comparison purposes. This program allowed for accurate prediction of the mechanical properties for a given percent density foam, and also provided a baseline for the solid Al samples tested. The main results from experiments were that the Young’s moduli (E) for porous Al samples (55.8% relative density) were 15.9-16.6 GPa depending on pore diameter, which is in good agreement with the CES EduPack predictions; while the compressive strengths (σc) were 155-185 MPa, higher than those predicted by CES EduPack. The results from the FEM simulations using 3D models (55.8% relative density) revealed the onset of yielding at 13.5-14.0 MPa, which correlates well with CES EduPack data. Overall results indicated that a combination of experiments and FEM simulations can be used to calculate structure-property relationships and to predict yielding and failure, which may help in the pursuit of simulation-based design of metallic foams. In the future, more robust modeling and simulation techniques will be explored, as well as investigating closed cell Al foams and different porous geometries (nm to micron). This study can help to improve the current methods of characterizing porous materials and enhance knowledge about their properties for alternative energy applications, while promoting their design through integrated approaches.

scholarly journals Multiscale analysis of CNT and GnP-reinforced composites using FEM/XFEM

2014 ◽  
Author(s):  
Δημήτριος Σάββας
Keyword(s):  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Monte Carlo ◽  
Volume Fraction ◽  
Weight Fraction ◽  
Reinforced Composites ◽  
Extended Finite Element ◽  
Bond Slip ◽  
Element Technique ◽  
Element Method

Το θέμα της διδακτορικής διατριβής είναι η προσομοίωση υπό πολλαπλές κλίμακες νανοσύνθετων υλικών και η ανάλυση αυτών με χρήση τόσο της συμβατικής μεθόδου ανάλυσης με τα πεπερασμένα στοιχεία (Finite Element Method - FEM) όσο και της εξελιγμένης μεθόδου ανάλυσης με τα εμπλουτισμένα πεπερασμένα στοιχεία (eXtended Finite Element Method - XFEM). Συγκεκριμένα, οι κατηγορίες των νανοσύνθετων υλικών που μελετώνται αφορούν μήτρες από θερμοπλαστικά πολυμερή ενισχυμένες είτε με νανοσωλήνες άνθρακα (Carbon nanotubes - CNTs), είτε με νανοσωματίδια γραφενίου (Graphene nanoplatelets - GnPs). Για την προσομοίωση των ετερογενών αυτών υλικών εφαρμόζονται ιεραρχικά από την ατομική κλίμακα στη νάνο, έπειτα στη μίκρο, μέχρι τελικά στη μάκρο κλίμακα, διαφορετικές τεχνικές προσομοίωσης. Σκοπός είναι να αναπτυχθεί ένα κατάλληλο υπολογιστικό εργαλείο ικανό για την ακριβή και γρήγορη πρόβλεψη των μηχανικών ιδιοτήτων των συγκεκριμένων νανοσύνθετων υλικών. Στο πλαίσιο αυτό, η μηχανική συμπεριφορά αντιπροσωπευτικών στοιχείων όγκου (representative volume element – RVE) του υλικού που επηρεάζεται από φαινόμενα μικροδομής προσομοιώνεται από κατάλληλα καταστατικά μοντέλα, οι ενεργές παράμετροι των οποίων προκύπτουν μέσω μιας υπολογιστικής διαδικασίας ομογενοποίησης. Συγκεκριμένα, το αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου του σύνθετου υλικού που ενισχύεται με νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) προσομοιώνεται στις διαφορετικές κλίμακες με χρήση των εξής μεθοδολογιών: α) στην ατομική κλίμακα με χρήση της μεθόδου της δομικής μοριακής μηχανικής (molecular structural mechanics – MSM) προσομοιώνεται το ατομικό πλέγμα των χημικών δεσμών άνθρακα-άνθρακα των νανοσωλήνων με ένα χωρικό πλαίσιο αποτελούμενο από ενεργειακά ισοδύναμες δοκούς, β) στην νάνο κλίμακα με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων το χωρικό πλαίσιο αντικαθίσταται από ένα ισοδύναμο στοιχείο δοκού, γ) στην μίκρο κλίμακα με χρήση της τεχνικής του εγκιβωτισμένου στοιχείου, εν σειρά συνδεδεμένα ισοδύναμα στοιχεία δοκού που προσομοιώνουν την γεωμετρία των νανοσωλήνων άνθρακα εγκιβωτίζονται εντός των τρισδιάστατων στερεών στοιχείων που προσομοιώνουν την μήτρα του σύνθετου υλικού και δ) στην μάκρο κλίμακα η συμπεριφορά της μικροδομής προσομοιώνεται από ένα πρωτότυπο ιξωδοπλαστικό καταστατικό μοντέλο. Το μοντέλο αυτό λαμβάνει υπόψιν του την ολίσθηση των νανοσωλήνων άνθρακα στην διεπιφάνεια τους με το πολυμερές όταν μια κρίσιμη τιμή της διεπιφανειακής διατμητικής αντοχής του υλικού ξεπεραστεί. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται καταδεικνύουν την επίδραση της κατά βάρους περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες άνθρακα, της τυχαίας γεωμετρίας αυτών, καθώς και της διεπιφανειακής διατμητικής αντοχής στις τελικές μηχανικές ιδιότητες και στην ικανότητα απόσβεσης ενέργειας του σύνθετου υλικού. Από την άλλη, το αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου του νανοσύνθετου υλικού που ενισχύεται από νανοσωμάτιδια γραφενίου (GnPs), προσομοιώνεται με χρήση της μεθόδου των εξελιγμένων πεπερασμένων στοιχείων (XFEM). Οι στοχαστικές παράμετροι που διερευνώνται στο πλαίσιο των υλικών αυτών σχετίζονται με την τυχαία γεωμετρία των νανοσωματιδίων, την θέση τους και τον προσανατολισμό τους μέσα στην μήτρα. Οι ενεργές ελαστικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν την μηχανική συμπεριφορά των συγκεκριμένων σύνθετων υλικών προκύπτουν μέσω ομογενοποίησης με χρήση προσομοιώσεων Monte Carlo. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται αφορούν αντιπροσωπευτικά στοιχεία όγκου του σύνθετου υλικού με διαφορετική κατ’όγκο περιεκτικότητα σε νανοσωματίδια, καθώς και διαφορετικούς λόγους των μέτρων ελαστικότητας των υλικών της μικροδομής.Ο κύριος στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι να συνδυάσει διαφορετικές τεχνικές προσομοίωσης υπό πολλαπλές κλίμακες και να αναπτύξει νέα καταστατικά μοντέλα ικανά να προσομοιώνουν την μηχανική συμπεριφορά νανοσύνθετων υλικών με ακρίβεια και ταχύτητα. Συγκεκριμένα, το αποτέλεσμα της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός ισχυρού υπολογιστικού εργαλείου που μπορεί να εφαρμοστεί για την προσομοίωση της συμπεριφοράς των δύο κυριότερων κατηγοριών νανοσύνθετων υλικών: πολυμερή ενισχυμένα με νανοσωλήνες άνθρακα (CNT-reinforced composites - CNT-RCs) και πολυμερή ενισχυμένα με νανοσωματίδια γραφενίου (GnP- reinforced composites - GnP-RCs). Ειδικότερα οι επιμέρους στόχοι της εργασίας συνοψίζονται στα εξής:1.Εφαρμογή της μεθόδου δομικής μοριακής μηχανικής (MSM) για την προσομοίωση της ατομικής δομής νανοσωλήνων άνθρακα ως χωρικό πλαίσιο.2.Υπολογισμός της γραμμικής/μη γραμμικής συμπεριφοράς ισοδύναμου στοιχείου δοκού (EBE) για την αντικατάσταση του χωρικού πλαισίου του νανοσωλήνα. 3. Εφαρμογή μιας νέας στοχαστικής διαδικασίας που βασίζεται στην επεξεργασία εικόνων ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (scanning electron microscope - SEM) για την προσομοίωση νανοσωλήνων τυχαίας κυματοειδούς μορφής.4.Ανάπτυξη και ενσωμάτωση μοντέλου ολίσθησης (bond-slip model) σε κώδικα πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση της ολίσθησης των νανοσωλήνων εντός της μήτρας του CNT-RC υλικού. 5. Εφαρμογή της τεχνικής του ενσωματωμένου στοιχείου (embedded element technique) για την διακριτοποίηση αντιπροσωπευτικών στοιχείων όγκου (RVEs) του CNT-RC υλικού και την παραγωγή πλεγμάτων πεπερασμένων στοιχείων απλής γεωμετρίας.6.Υλοποίηση του ιξωδοελαστικού καταστατικού μοντέλου των Maxwell-Wiechert για την προσομοίωση της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς του θερμοπλαστικού υλικού της μήτρας.7.Διερεύνηση της επίδρασης στις μηχανικές ιδιότητες και στην ικανότητα απόσβεσης ενέργειας του CNT-RC υλικού των εξής παραμέτρων: α) κατά βάρος περιεκτικότητα σε νανοσωλήνες άνθρακα (weight fraction - wf%), β) διατμητική αντοχή στην διεπιφάνεια μεταξύ νανοσωλήνα και πολυμερούς (interfacial shear strength - ISS) και γ) τυχαία κυματοειδή γεωμετρία των νανοσωλήνων άνθρακα (CNT waviness).8.Ανάπτυξη και υλοποίηση ιξωδοπλαστικού καταστατικού μοντέλου για την προσομοίωση της ομογενούς μηχανικής συμπεριφοράς του CNT-RC υλικού λαμβάνοντας υπόψιν φαινόμενα μικροδομής: α) ανισοτροπική ενίσχυση, β) ιξωδοελαστική συμπεριφορά της μήτρας και γ) ανισοτροπική απόσβεση ενέργειας λόγω ολίσθησης των νανοσωλήνων.9.Εφαρμογή της μεθόδου των εξελιγμένων πεπερασμένων στοιχείων (XFEM) για την προσομοίωση της μικροδομής αντιπροσωπευτικών στοιχείων όγκου του GnP-RC υλικού.10.Ανάπτυξη αριθμητικής διαδικασίας ομογενοποίησης της μηχανικής συμπεριφοράς του GnP-RC υλικού με εφαρμογή μεγάλου αριμθμού Monte Carlo προσομοιώσεων σε αντιπροσωπευτικά στοιχεία όγκου που περιέχουν νανοσωματίδια τυχαίας γεωμετρίας.11.Διερεύνηση της επίδρασης στις ομογενείς ελαστικές ιδιότητες του GnP-RC υλικού των εξής παραμέτρων: α) τυχαίο σχήμα των νανοσωτιδίων, β) περιεκτικότητα κατ’ όγκο σε νανοσωματίδια (volume fraction - vf%) και γ) διαφορετικός λόγος μέτρου ελαστικότητας των συστατικών υλικών του σύνθετου (stiff and compliant inclusions).

Effect of aluminum carbide interphase on the thermomechanical behavior of carbon nanotube/aluminum nanocomposites

2018 ◽  
Vol 233 (9) ◽  
pp. 1843-1853 ◽  
Author(s):  
Xiaolong Shi ◽  
Mohammad Kazem Hassanzadeh Aghdam ◽  
Reza Ansari
Keyword(s):  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Thermal Expansion ◽  
Carbon Nanotube ◽  
Volume Fraction ◽  
Chemical Interaction ◽  
Coefficient Of Thermal Expansion ◽  
Aluminum Matrix ◽  
Aluminum Carbide ◽  
Element Method

The objective of this work is to investigate the coefficient of thermal expansion of carbon nanotube reinforced aluminum matrix nanocomposites in which aluminum carbide (Al4C3) interphase formed due to chemical interaction between the carbon nanotube and aluminum matrix is included. To this end, the micromechanical finite element method along with a representative volume element, which incorporates, carbon nanotube, interphase, and aluminum matrix is employed. The emphasis is mainly placed on the effect of Al4C3 interphase on the coefficient of thermal expansion of aluminum nanocomposites with random microstructures. The effects of interphase thickness, carbon nanotube diameter, and volume fraction on the thermomechanical response of aluminum nanocomposite are discussed. The results reveal that the effect of Al4C3 interphase on the coefficient of thermal expansion of the aluminum nanocomposites becomes more significant with (i) increasing the coefficient of thermal expansion volume fraction, (ii) decreasing the coefficient of thermal expansion diameter, and (iii) increasing the interphase thickness. It is clearly observed that the coefficient of thermal expansion varies nonlinearly with the carbon nanotube diameter; however, it decreases linearly as the carbon nanotube volume fraction increases. Furthermore, the axial and transverse coefficient of thermal expansions of aligned continuous and discontinuous carbon nanotube-reinforced aluminum nanocomposites with Al4C3 interphase are predicted. Also, the presented finite element method results are compared with the available experiment in the literature, rule of mixture, and concentric cylinder model results.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document