In this paper, evaluation method of structural integrity of cylindrical composite lattice structures was conducted. A finite element analysis was used to evaluate the structural integrity of composite lattice structures. In order to verify the optimal finite element in the evaluation of the structural integrity, finite element models for cylindrical composite lattice structure were generated using beam, shell and solid elements. The results of the finite element analyses with the shell and solid element models showed a good agreement. However, considerable differences were found between the beam element model and the shell and solid models. This occurred because the beam element does not take into account the degradation of the mechanical properties of the non-intersection parts of cylindrical composite lattice structures. It was found that the finite element analysis of evaluation of structural integrity for cylindrical composite lattice structures have to use solid element.
Kim, Do-Young;Sim, Chang-Hoon;Kim, Han-Il;Park, Jae-Sang;Yoo, Joon-Tae;Yoon, Young-Ha;Lee, Keejoo
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.49
no.4
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pp.321-328
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2021
This paper derives numerically new buckling Knockdown factors for the lightweight design of the composite propellant tanks for space launch vehicles. A nonlinear finite element analysis code, ABAQUS, is used for the present postbuckling analysis of composite cylinders under compressive loads. Various thickness ratios (R/t) and slenderness ratios (L/R) are considered and Single Perturbation Load Approach is applied to represent the geometric initial imperfection of the composite cylinder. For the composite cylinder with thickness ratio of 500 and slenderness ratio of 2.04, the buckling Knockdown factor derived in this work is higher by 84.38% than NASA's previous buckling design criteria. Therefore, it is investigated that a lightweight design is possible when the present Knockdown factors are used for the design of composite propellant tanks. In addition, it is shown that global buckling loads and buckling Knockdown factors decrease as the thickness ratio or slenderness ratio of composite cylinders increases.
In this paper, in order to examine the effect of fiber volume fraction non-uniformity in thickness direction on the buckling load of cylindrical composite lattice structures, we modified the equation of buckling load of the cylindrical composite lattice structures proposed by Vasiliev. The thickness of each layer of the rib was varied by fiber volume fraction, and material properties were applied differently by using the rule of mixture. Also, we performed linear buckling analysis by varying the structure size, thickness, and average value of the fiber volume fraction of finite element model. Finally, by comparing the calculation results of the buckling load of the equivalent model using the modified buckling load equation and the results of the finite element analysis, we found that the fiber volume fraction non-uniformity in thickness direction can reduce the buckling load of the cylindrical composite lattice structure.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2017.05a
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pp.835-837
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2017
In this paper, manufacturing processes of cylindrical composite lattice structures using filament winding method was described. Cylindrical composite lattice structures were manufactured in accordance with four major steps. Silicon mold of lattice shape was installed on mandrel and then continuous fiber was wound on silicon mold. After winding process, in order to ensure the same thickness for all regions, compression process was done for its intersection parts. Finally, the composite lattice structure was demoulded after curing in oven. It was found that the manufactured cylindrical composites lattice structure had 2.4% of dimensional error compared to the design requirements.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.56
no.4
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pp.316-326
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2019
In this paper, a methodology is presented for determining the optimal lamination of composite cylindrical structures subject to hydrostatic pressure. The strength criterion in association with the process of optimal design is the buckling collapse of composite cylinders under hydrostatic pressure loads. An empirical formula expressed in the form of the Merchant-Rankine equation is used to calculate the ultimate strength of filament-wound composite cylinders where genetic algorithm is applied for determining the optimized stacking sequences. It is shown that the optimized lamination provides improved collapse pressure loads. It is concluded that the developed method would be useful for the optimal lamination design of composite cylindrical structures.
Kim, Donggeon;Doh, Youngdae;Kim, Gensang;Kim, Myungjoo;Lee, Sangwoo
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.25
no.6
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pp.74-86
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2021
The composite lattice structure is a structure that supports the required load with the minimum weight and thickness. Composite lattice structure is manufactured by the filament winding process using impregnating high-strength carbon fiber with an epoxy resin. Filament winding process can laminate and manufacture only structurally necessary parts, composite lattice structure can be applied to aircraft fuselages, satellite and launch vehicles, and guided weapons to maximize weight reduction. In this paper, the development and evaluation of the composite lattice structure corresponding to the entire process from design, analysis, fabrication, and evaluation of large-scale cylindrical and conical composites lattice structure were performed. To be applicable to actual projectiles and guided weapons, we developed a cylindrical lattice structure with a diameter of 2,600 mm and a length of 2,000 mm, and a conical lattice structure with an upper diameter of 1,300 mm, a lower diameter of 2,500 mm, and a length of 900 mm. The performance of the developed composite lattice structure was evaluated through a load test.
Kim, Do-Young;Sim, Chang-Hoon;Park, Jae-Sang;Yoo, Joon-Tae;Yoon, Young-Ha;Lee, Keejoo
Composites Research
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v.34
no.5
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pp.283-289
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2021
This paper derives numerically the buckling Knockdown factors using two different initial imperfection models, such as geometric and loading imperfection models, to investigate the unstiffened composite cylinder with an ellipse pre-buckling deformation pattern. Single Perturbation Load Approach (SPLA) is applied to represent the geometric initial imperfection of a thin-walled composite cylinder; while Single Boundary Perturbation Approach (SBPA) is used to represent the geometric and loading imperfections simultaneously. The buckling Knockdown factor derived using SPLA is higher than NASA's buckling design criteria by approximately 84%, and lower than buckling test result by 9%. The buckling Knockdown factor using SBPA is higher than NASA's buckling design criteria by about 75%, and 14% lower than the buckling test result. Therefore, it is shown that the buckling Knockdown factors derived in this study can provide a lightweight design compared to the previous buckling design criteria while they give reasonably a conservative design compared to the buckling test for both the initial imperfection models.
Kim, Ji-Seon;Lee, Gyeong-Chan;Kweon, Jin-Hwe;Cho, Jin-Ho;Cho, Jong-Rae;Cho, Sang-Rae;Cho, Yoon-Sik
Composites Research
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v.24
no.4
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pp.17-22
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2011
In this paper, as a basic research to apply the composite sandwich to underwater vehicle, the manufacturing, analysis and test methods, and weight saving effect of a composite sandwich cylinder under external pressure were studied. A two-step manufacturing method to prevent the wrinkling of the sandwich cylinder face was proposed and the three cylinders were made and tested. Finite element results based on the shell and solid model using MSC.Nastran were compared with test results. The comparison showed that the linear finite element analysis using the shell and solid elements can predict the buckling pressure of the sandwich cylinder with approximately 3% difference. The parametric study of the filament wound cylinders revealed that the composite sandwich can reduce the weight of the cylinder more than 30% compared with the filament wound cylinder supporting the same pressure.
In this study, the effects of ring stiffeners for buckling of cylindrical shells with composite materials were analyzed. The finite element method was used: 3-D beam elements were used for stiffeners and flat shell elements were used for cylindrical shells and were improved by introducing a substitute shear strain. The ring stiffeners were of the transverse rib type. The buckling behaviors of the cylindrical shells were analyzed based on various parameters, such as locations and sizes of stiffeners, diameter/length ratios and boundary conditions of shells, and fiber-reinforced angles. Effective reinforcement was examined by understanding the exact behaviors for buckling. The results of the analysis may serve as references for designs and future investigations.
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