An investigation was performed to study the matrix cracking and delamination in laminated composite plates due to transverse impact. A model was developed for predicting the initiation of the matrix cracking and the shape and size of impact-induced delamination in laminated composite plates resulting from the ballistic impact. The model consists of a stress analysis and a failure analysis. A transient finite element analysis which was based on the higher-order shear deformation theory was adopted for calculating the stresses inside the laminated composite plates during impact. A failure analysis was used to predict the initial intraply matrix cracking and the shape and size of the interface delamination in the laminates. As a results, a shear matrix cracking which was governed by the transverse interlaminar shear stress occured at the middle layer near the midplane of laminates and a bending matrix cracking which was governed by the transverse inplane stress occured at the bottom layer near the surface of laminates. In a thick laminates, a shear matrix cracking generated first at the middle layer of laminates, but in a thin laminates, a bending matrix cracking generated first at the bottom layer of laminates.
An investigation was performed to study the impact damage in CFRP laminated composites subjected to impact loading. A finite element model has been developed for predicting the impact damage in laminated composite plates resulting from the ballistic impact. The finite element model was based on the higher-order shear deformation theory and was used to predict the initial intraply matrix cracking and the shape and size of interface delamination in laminated composites. Numerical simulation was performed and then the initiation of the matrix cracking and the shape and size of impacted induced delamination were predicted, and te results were compared with those of impact experiments with the same dimension and stacking sequences. A linear relationship holds between impact velocity and length and width of delamination. As impact velocity is increased, the increase of delamination length is highger than the increase of delamination width.
This paper proposes a transfer matrix method for the bending vibration of two types of tapered beams subjected to axial force, and it is applied to analyze tapered beams with an edge or multiple edge open cracks. One beam type is assumed to be reduced linearly in the cross-section height along the beam length. The other type is a tapered beam in which the cross-section height and width with the same taper ratio is linearly reduced simultaneously. Each crack is modeled as two sub-elements connected by a rotational spring, and the method can evaluate the effect of cracking on the desired number of eigenfrequencies using a minimum number of subdivisions. Among the power series available for the solutions, the roots of the differential equation are computed using the Frobenius method. The computed results confirm the accuracy of the method and are compared with previously reported results. The effectiveness of the proposed methods is demonstrated by examining specific examples, and the effects of cracking and axial loading are carefully examined by a comparison of the single and double tapered beam results.
The hot cracking phenomena and phase behaviors during hot working process of Cu-Ni bearing hot rolled steels were investigated by a $90^{\circ}$bending tests, BSE image analysis and EDS analysis. For aNi-free 1.2% Cu bearing steel, the surface hot cracking occurred about $1100^{\circ}C$ due to a liquid state Cu-enriched phase formed continuously at the interface between oxide scale and matrix. The liquid Cu-enriched phase penetrated into austenite grain boundaries and caused surface cracking during the hot working. In case of 0.6% Ni containing 1.2% Cu-Ni bearing steel, solid state Cu-Ni-riched phase existed at the scale/matrix interface as a discontinuous type. But the higher addition of 1.2% Ni, solid state Ni-Cu-riched phase was formed dominantly in the oxide scale. It was found that the addition of Ni suppressed the surface cracking of 1.2% Cu bearing steel by eliminating the liquid state Cu-enriched phase.
The failure behaviours of unidirectional pultruded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites were monitored by the electrical resistance measurement during tensile loading, three-point-bending, interlaminar shear loading. The tensile failure behaviour of carbon fiber tows was also investigated by the electrical resistance measurement. Infrared thermography non-destructive evaluation was performed in real time during tensile test of CFRP composites to validate the change of microdamage in the materials. Experiment results demonstrated that the CFRP composites and carbon fiber tows were damaged by different damage mechinsms during tensile loading, for the CFRP composites, mainly being in the forms of matrix damage and the debonding between matrix and fibers, while for the carbon fiber tows, mainly being in the forms of fiber fracture. The correlation between the infrared thermographs and the change in the electrical resistance could be regarded as an evidence of the damage mechanisms of the CFRP composites. During three-point-bending loading, the main damage forms were the simultaneity fracture of matrix and fibers firstly, then matrix cracking and the debonding between matrix and fiber were carried out. This results can be shown in Fig. 9(a) and (b). During interlaminar shear loading, the change in the electrical resistance was related to the damage degree of interlaminar structure. Electrical resistance measurement was more sensitive to the damage behaviour of the CFRP composites than the stress/time curve.
Despite the significant features of fiber-reinforced cementitious composites (FRCCs), including better mechanical, fractural, and durability performance, their high content of cement has restricted their use in the construction industry. Although ground granulated blast furnace slag (GGBFS) is considered the main supplementary cementitious material, its slow pozzolanic reaction stands against its application. The addition of nano-sized mineral modifiers, including nano-silica (NS), is an alternative to address the drawbacks of using GGBFS. The main object of this empirical and numerical research is to examine the effect of NS on the strain-hardening behavior of cementitious composites; ten mixes were designed, and five levels of NS were considered. This study proposes a new method, using a four-point bending test to assess the use of nano-silica (NS) on the flexural behavior, first cracking strength, fracture energy, and micromechanical parameters including interfacial friction bond strength and maximum bridging stress. Digital image correlation (DIC) was used for monitoring the initiation and propagation of the cracks. In addition, to attain a deep comprehension of fiber/matrix interaction, scanning electron microscope (SEM) analysis was used. It was discovered that using nano-silica (NS) in cementitious materials results in an enhancement in the matrix toughness, which prevents multiple cracking and, therefore, strain-hardening. In addition, adding NS enhanced the interfacial transition zone between matrix and fiber, leading to a higher interfacial friction bond strength, which helps multiple cracking in the composite due to the hydrophobic nature of polypropylene (PP) fibers. The findings of this research provide insight into finding the optimum percent of NS in which both ductility and high tensile strength of the composites would be satisfied. As a concluding remark, a new criterion is proposed, showing that the optimum value of nano-silica is 2%. The findings and proposed method of this study can facilitate the design and utilization of green cementitious composites in structures.
Khodjet-Kesba, M.;Benkhedda, A.;Adda Bedia, E.A.;Boukert, B.
Structural Engineering and Mechanics
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제67권2호
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pp.165-173
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2018
A simple predicted model using a modified Shear-lag method was used to represent the moisture absorption effect on the stiffness degradation for $[0/90]_{2s}$ composite laminates with transverse cracks and under flexural loading. Good agreement is obtained by comparing the prediction model and experimental data published by Smith and Ogin (2000). The material properties of the composite are affected by the variation of temperature and moisture absorption. The transient and non-uniform moisture concentration distribution give rise to the transient elastic moduli of cracked composite laminates. The hygrothermal effect is taken into account to assess the changes in the normalised axial and flexural modulus due to transverse crack. The obtained results represent well the dependence of the stiffness properties degradation on the cracks density, moisture absorption and operational temperature. The composite laminate with transverse crack loaded in axial tension is more affected by the hygrothermal condition than the one under flexural loading. Through this theoretical study, we hope to contribute to the understanding of the moisture absorption on the composite materials with matrix cracking.
The effect of heat treating temperature and ${\alpha}$ phase In the ${\beta}$ phase matrix were investigated for ${\beta}-CuZnAl$ shape memory alloys by tension test, fatigue test, and shape memory effect test. After heat treatment at $677^{\circ}C$, $750^{\circ}C$, $800^{\circ}C$ and $850^{\circ}C$ for 10 min. respectively, static fracture stress(${\sigma}_f$), fatigue fracture stress(${\tau}_{max}$) at $10^6$ cycle, and elongation(${\epsilon}_f$) was $24.2kg/mm^2$, $17.21kg/mm^2$ and 11.8%, respectively. As heat treating temperature decreased, fracture surfaces of the specimens were changed from the intergranular to the transgranular fracture mode. Especially, the a phase precipitated in the ${\beta}$ phase matrix had an effect on crack propagation and the fracture surface was characterized by dimple-like pattern when crack propagated in transgranular cracking mode. Precipitation of the ${\alpha}$ phase in the ${\beta}$ phase matrix lowered the transformation temperature by $10^{\circ}C$, and about 2.5 vol.% ${\alpha}$ phase did not affect the shape memory effect examined by the bending test.
This is the study on dry sliding wear behavior of unidirectional carbon fiber reinforced epoxy matrix composite at ambient temperature. The wear rates and friction coefficients against the stainless steel counterpart specularly processed were experimentally determined and the resulting wear mechanisms were microscopically observed. Three principal sliding directions relative to the dominant fiber orientation in the composite were selected. Wren sliding took place against smooth and hard counterpart, the highest wear resistance and the lowest friction coefficient were observed in the antiparallel direction. When the velocity between the composite and the counterpart went up, the wear rate increased. The fiber destruction and cracking caused fiber bending on the contact surface, which was discovered to be dominant wear mechanism.
A composite model is used to represent the heterogeneity of plain concrete consisting of coarse aggregates, mortar matrix and the mortar-aggregate interface. The composite elements of plain concrete are modeled using triangular finite element units which have six interface nodes along the sides. Fracture is captured through a constitutive single branch softening-fracture law at the interface nodes, which bounds the elastic domain inside each triangular unit. The inelastic displacement at an interface node represents the crack opening or sliding displacement and is conjugate to the internodal force. The path-dependent softening behaviour is developed within a quasi-prescribed displacement control formulation. The crack profile is restricted to the interface boundaries of the defined mesh. No re-meshing is carried out. Solutions to the rate formulation are obtained using a mathematical programming procedure in the form of a linear complementary problem. An event by event solution strategy is adopted to eliminate solutions with simultaneous formation of softening zones in symmetric problems. The composite plain concrete model is compared to experimental results for the tensile crack growth in a Brazilian test and three-point bending tests on different sized specimens. The model is also used to simulate wedge-type shear-compression failure directly under the loading platen of a Brazilian test.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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