Effective stiffness of short fiber composite with a three-dimensional random orientation of fibers is derived theoretically and compared with available experimental data. The laminate analogy and transformed laminate analogy are used for modulus prediction of 2-D and 3-D random composites, respectively. The effective stiffness of random oriented fiber composite can be expressed in terms of longitudinal and transverse stiffnesses of unidirectional composites. The result of transformed laminate analogy is more accurate than other approaches such as, Christensen-Waals equational and Lavengood-Goettler equation, etc. Also the effective properties of random oriented fiber composite can be expressed in terms of fiber and matrix properties such as elastic modulus, shear modulus and Poisson's ratio.
This study using ABAQUS investigates the nonlinear vibration responses when thermal and random acoustic loads are applied simultaneously to the stiffened composite panels. The nonlinear vibration analyses are performed with changing the number of stiffeners, and layup condition of the skin panel. The panel and stiffeners both are modeled using shell elements. Thermal load (ΔT) is assumed to have the temperature gradient through the thickness direction of the stiffened composite panel. The random acoustic load is represented as stationary white-Gaussian random pressure with zero mean and uniform magnitude over the panels. The thermal postbuckling analysis is conducted using RIKS method, and the nonlinear dynamic analysis is performed using Hilber-HughesTaylor time integration method. When ΔT = 25.18 ℃ and SPL = 105 dB are applied to the stiffened composite panel, the effect of the number of stiffener is investigated, and the snap-through responses are observed for composite panels without stiffeners and with 1 and 3 stiffeners. For investigation of the effect of layup condition of the skin panel, when ΔT = 38.53 ℃ and SPL = 110 dB are applied to the stiffened composite panel, the snap-through responses are shown when the fiber angle of the skin panel is 0°, 30°, and 60°.
본 논문은 $Ni-A{\ell}_2O_3$로 구성된 금속-세라믹 이종 입자복합재의 2차원 미세구조(microstructure) 생성과 미세구조 스케일(scale)에 따라 정의되는 계층적 모델들의 역학적 특성 분석에 관한 내용이다. 이종 입자복합재의 미세구조는 수학적인 MDF(random morphology description functions) 모델링기법을 복합재의 2차원 RVE(representative volume element) 영역에 적용하여 생성하였다. 그리고 미세구조 생성에 필요한 가우스 함수들의 개수에 따라 미세구조의 계층적 모델을 정의하였다. 한편 임의 미세구조 내 금속과 세라믹 입자가 차지하는 체적분율(volume fraction)은 RMDF 함수의 레벨을 조정함으로서 설정하였다. RMDF기법에 의한 미세구조들은 가우스 함수들의 개수가 일정할지라도 랜덤하게 생성된다. 이렇게 랜덤하게 생성되는 미세구조들을 2차원 보(beam) 모델에 적용하여 미세구조의 스케일에 따른 수직응력과 전단응력의 계층적 변동을 수치 해석적으로 고찰하였다. 또한, 균열해석을 통해 RMDF의 랜덤성과 가우스 함수들의 개수가 균열선단에서의 응력값에 미치는 영향을 고찰하였다.
Thick composite laminated plates is considered in 3D finite-element. To consider continuity of transverse stresses and displacement field, mixed finite-element has been developed by using layerwise theory and the minimum potential energy principle. Mixed finite-element has been enforced through the thick direction, Z, of a laminated plate by considering six degree-of-freedoms per node. Six degree-of-freedoms are three displacement components in the coordinate axes directions and three transverse stress components ${\sigma}_z,\;{\tau}_{xz},\;{\tau}_{yz}$. The model maintain the fundamental elasticity relations that are stress-strain relation and displacement-strain relation, because the transverse stress components invoked as nodal degrees of freedom by using the fundamental elasticity relationship between th components of stress and displacement. Random vibration analysis of the model is performed by computing consistent mass matrix and computing covariance in frequency domain technique.
In this work, random homogenization analysis for the effective thermal properties of a three-dimensional composite material with unidirectional fibers is presented by combining the equivalent inclusion method with Random Factor Method (RFM). The randomness of the micro-structural morphology and constituent material properties as well as the correlation among these random parameters are completely accounted for, and stochastic effective thermal properties as thermal expansion coefficients as well as their correlation are then sought. Results from the RFM and the Monte-Carlo Method (MCM) are compared. The impact of randomness and correlation of the micro-structural parameters on the random homogenized results is revealed by two methods simultaneously, and some important conclusions are obtained.
In this study, 3D Meso-scale finite-element model is presented to study the mechanical behavior of steel microfiber-reinforced polymer concrete considering the random distribution of fibers in the matrix. The composite comprises two separate parts which are the polymer composite and steel microfibers. The polymer composite is assumed to be homogeneous, which its mechanical properties are measured by performing experimental tests. The steel microfiber-polymer bonding is simulated with the Cohesive Zone Model (CZM) to offer more-realistic assumptions. The CZM parameters are obtained by calibrating the numerical model using the results of the experimental pullout tests on an individual microfiber. The accuracy of the results is validated by comparing the obtained results with the corresponding values attained from testing the steel microfiber-reinforced polymer concrete incorporating 0, 1 and 2% by volume of microfibers, which indicates the excellent accuracy of the current proposed model. The results show that the microfiber aspect ratio has a considerable effect on the mechanical properties of the reinforced polymer concrete. Applying microfibers with a higher aspect ratio improves the mechanical properties of the composite considerably especially when the first crack appears in the polymer concrete specimens.
Mirjavadi, Seyed Sajad;Forsat, Masoud;Barati, Mohammad Reza;Hamouda, A.M.S.
Steel and Composite Structures
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제36권1호
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pp.87-101
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2020
A multi-scale epoxy/CNT/fiberglass annular sector plate is studied in this paper in the view of determining nonlinear forced vibration characteristics. A 3D Mori-Tanaka model is employed for evaluating multi-scale material properties. Thus, all of glass fibers are assumed to have uni-direction alignment and CNTs have random diffusion. The geometry of annular sector plate can be described based on the open angle and the value of inner/outer radius. In order to solve governing equations and derive exact forced vibration curves for the multi-scale annular sector, Jacobi elliptic functions are used. Obtained results demonstrate the significance of CNT distribution, geometric nonlinearity, applied force, fiberglass volume, open angle and fiber directions on forced vibration characteristics of multi-scale annular sector plates.
This paper has focused on presenting vibration analysis of trapezoidal sandwich plates with 3D-graphene foam reinforced polymer matrix composites (GrF-PMC) core and FG wavy CNT-reinforced face sheets. The porous graphene foam possessing 3D scaffold structures has been introduced into polymers for enhancing the overall stiffness of the composite structure. Also, 3D graphene foams can distribute uniformly or non-uniformly in the plate thickness direction. The effective Young's modulus, mass density and Poisson's ratio are predicted by the rule of mixture. In this study, the classical theory concerning the mechanical efficiency of a matrix embedding finite length fibers has been modified by introducing the tube-to-tube random contact, which explicitly accounts for the progressive reduction of the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The First-order shear deformation theory of plate is utilized to establish governing partial differential equations and boundary conditions for trapezoidal plate. The governing equations together with related boundary conditions are discretized using a mapping-generalized differential quadrature (GDQ) method in spatial domain. Then natural frequencies of the trapezoidal sandwich plates are obtained using GDQ method. Validity of the current study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature. It is explicated that 3D-GrF skeleton type and weight fraction, carbon nanotubes (CNTs) waviness and CNT aspect ratio can significantly affect the vibrational behavior of the sandwich structure. The plate's normalized natural frequency decreased and the straight carbon nanotube (w=0) reached the highest frequency by increasing the values of the waviness index (w).
For better estimation of elastic property of concrete composites, the effect of Interfacial Transition Zone (ITZ) has been found to be significant. Numerical concrete composites models have been introduced using Finite Element Method (FEM), where ITZ is modeled as a thin shell surrounding aggregate. Therefore, difficulties arise from the mesh generation. In this study, a numerical concrete composites model in 3D based on FEM and random unit cell method is proposed to calculate elastic modulus of concrete composites with ITZ. The validity of the model has been verified by comparing the calculated elastic modulus with those obtained from other analytical and numerical models.
A new type of electrochemical random signal (electrochemical noise) analysis technique was applied to localized corrosion of anodic oxide film formed 1100 aluminum alloy in $0.5kmol/m^3$$H_3BO_4/0.05kmol/m^3$$Na_2B_4O_7$ with $0.01kmol/m^3$ NaCl. The effect of anodic oxide film structure, barrier type, porous type, and composite type on galvanic corrosion resistance was also examined. Before localized corrosion started, incubation period for pitting corrosion, both current and potential slightly change as initial value with time. The incubation period of porous type anodic oxide specimens are longer than that of barrier type anodic oxide specimens. While pitting corrosion, the current and potential were changed with fluctuations and the potential and the current fluctuations show a good correlation. The records of the current and potential were processed by calculating the power spectrum density (PSD) by the Fast Fourier Transform (FFT) method. The potential and current PSD decrease with increasing frequency, and the slopes are steeper than or equal to minus one (-1). This technique allows observation of electrochemical impedance changes during localized corrosion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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