[논문 리뷰] RVE Analysis in LS-DYNA for High-fidelity Multiscale Material Modeling

Haoyan Wei, Dandan Lyu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 21.

Composite Material Mechanics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LS-DYNA에 새로운 RVE_ANALYSIS_FEM 모듈을 도입하여, 미세구조에서의 대표체적 요소(RVE)를 시뮬레이션함으로써 균질화된 거시적 물성 특성을 계산함으로써 고정밀도의 사용자 정의 다스케일 재료 모델링을 가능하게 한다. 이 방법은 섬유, 함입물, 인터페이스와 같은 미세구조적 특징을 해석함으로써 복합재료 및 금속 합금과 같은 이방성 재료의 정확한 가상 시험을 가능하게 하여 다스케일 구조 해석의 정밀도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In modern engineering designs, advanced materials (e.g., fiber/particle-reinforced polymers, metallic alloys, laminar composites, etc.) are widely used, where microscale heterogeneities such as grains, inclusions, voids, micro-cracks, and interfaces significantly affect the macroscopic constitutive behaviors. Obviously, an accurate description of the multiscale material behaviors is of great importance to the success of material design and structural analysis. The Representative Volume Element (RVE) analysis method provides a rigorous means to obtain homogenized macroscopic material properties at the upper length scale from the properties of the material constituents and structures at a lower length scale. Recently, we have developed an RVE module (keyword: *RVE_ANALYSIS_FEM) in the multiphysics simulation software LS-DYNA to enable high-fidelity virtual testing of numerically re-constructed material samples at user-specified characteristic length scales. In this article, a brief introduction to this new feature will be given.

연구 동기 및 목표

• 입자, 함입물, 공극과 같은 미세구조적 이질성을 지닌 고급 공학 재료의 다스케일 재료 거동을 정확하게 균질화하는 것.
• 사용자 지정 특성 길이 척도에서 수치적으로 재구성된 미세구조를 위한 가상 시험을 수행할 수 있는 강력한 수치 계산 프레임워크를 LS-DYNA 내부에 개발하는 것.
• 엄격한 RVE 기반 균질화를 통해 미세구조 재료 구성요소와 거시구조적 거동 사이의 격차를 메우는 것.
• 섬유 강화 폴리머, 금속 합금, 층상 복합재료의 고정밀 시뮬레이션을 지원하여 복잡한 미세구조 상호작용을 해석하는 것.

제안 방법

• LS-DYNA 유한요소 해석기 내에 다스케일 재료 분석을 위한 전용 RVE_ANALYSIS_FEM 모듈을 구현하는 것.
• 사용자 정의 대표체적 요소(RVE)를 사용하여 섬유, 입자, 인터페이스와 같은 미세구조적 이질성을 모델링하는 것.
• 미세구조 시뮬레이션에서 유도된 효과적인 거시적 거동 법칙을 도출하기 위해 수치적 균질화 기법을 적용하는 것.
• 실재 재료의 구조를 반영하기 위해 특성 길이 척도에서 재료의 미세구조를 수치적으로 재구성하는 것.
• 정기적 및 비정기적 RVE에 적합한 경계 조건 및 하중 조건을 통합하여 정확한 균질화를 보장하는 것.
• LS-DYNA의 다물리카 능력을 활용하여 미세구조에서 다양한 열기계적 하중 조건 하에서의 기계적 거동을 시뮬레이션하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 유한요소 소프트웨어인 LS-DYNA 내에서 이방성 재료의 고정밀 가상 시험을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 RVE_ANALYSIS_FEM 모듈이 미세구조적 특징이 거시적 재료 거동에 미치는 영향을 얼마나 효과적으로 포착하는가?
• RQ3 사용자가 지정한 특성 길이 척도가 균질화된 재료 특성의 정확도와 수렴성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LS-DYNA의 RVE 방법이 복잡한 복합재 및 금속 합금의 효과적 거동 법칙을 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• RVE_ANALYSIS_FEM 모듈은 LS-DYNA에서 고정밀도의 미세구조 가상 시험을 성공적으로 가능하게 하여 균질화된 거시적 재료 거동을 정확하게 예측할 수 있도록 한다.
• 이 방법은 섬유, 함입물, 인터페이스와 같은 미세구조적 특징이 이방성 재료의 전체 기계적 거동에 미치는 영향을 효과적으로 포착한다.
• 이 프레임워크는 사용자 정의 특성 길이 척도를 지원하여 다양한 재료 체계 간에 일관되고 확장 가능한 다스케일 모델링을 가능하게 한다.
• RVE 분석의 LS-DYNA 통합은 외부 전처리 및 후처리 도구가 필요 없이도 엔지니어와 연구자가 가상 재료 시험을 수행할 수 있도록 강력하고 접근성이 높은 도구를 제공한다.