This paper presents an innovative stress-function variational approach in formulating the interfacial shear and normal stresses in an externally bonded concrete joint using carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) plies. The joint is subjected to surface traction loadings applied at both ends of the concrete substrate layer. By introducing two interfacial shear and normal stress functions on the CFRP-concrete interface, based on Euler-Bernoulli beam idea and static stress equations of equilibrium, the entire stress fields of the joint were determined. The complementary strain energy was minimized in order to solve the governing equation of the joint. This yields an ordinary differential equation from which the interfacial normal and shear stresses were proposed explicitly, satisfying all the multiple traction boundary conditions. Lamination theory for composite materials was also employed to obtain the interfacial stresses. The proposed approach was validated by the analytic models in the literature as well as through a comprehensive computational code generated by the authors. Furthermore, a numerical verification was carried out via the finite element software ABAQUS. In the end, a scaling analysis was conducted to analyze the interfacial stress field dependence of the joint upon effective issues using the devised code.
Kim, Dae-Young;Kwak, Jae-Hyuck;Lee, Jun-Ho;Park, Kwang-Woo;Jeong, Kwang-Young;Cheon, Seong-Sik
Composites Research
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v.24
no.2
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pp.14-21
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2011
In this paper, a dynamic model is proposed for multi-axis optical structure of an aircraft. Modal analysis, sine-wave analysis, and random vibration analysis are done using a multi-body dynamic program for the multi-axis optical structure. By applying Al 6061-T6 and two types of CFRP to the camera module, x, y, and z responses are found and compared according to each axis excitation. The results will be used for reducing the weight of the camera module.
The current study assessed the effect of a bolt hole on tensile fatigue properties of CFRP laminates. Two specimens, i.e. $[(0/90)_3]S$, $[(0/45/90/-45)_2]_S$, were analyzed using a finite element method and were experimentally tested for cases, both with and without a hole, whose diameter corresponded to 0.12 times the specimen width. Delamination positions predicted by a 3-dimensional static finite element analysis were matched well to those observed by an ultrasonic imaging system in the middle of fatigue test. A hole whose diameter corresponds to 0.12 times the specimen width caused the fatigue strength to decrease by 9% and 11% under 5 Hz loading frequency, and by 22% and 25% under 10 Hz loading frequency for $[(0/90)_3]_S$ and $[(0/45/90/-45)_2]_S$, respectively. Because the decrease in sectional area due to the hole was normalized in calculation of the tensile strength, a stress concentration around the hole is believed to induce the strength degradation of fatigue specimens. From the finite element analyses, the stress concentration factor around a hole was expected as 8.8 and 9.5 for $[(0/90)_3]_S$ and $[(0/45/90/-45)_2]_S$, respectively.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.6
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pp.1836-1842
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1996
In this paper, static and fatigue bending strengths of CFRP(carbon fiber reinforced plastic laminates having impact damage(FOD) are evaluated. Composite laminates used for this experiment are CF/EPOXY and CF/PEEK orthotropy laminated plates, which have two-interfaces[${0^0}_4{90^0}_4}$]$_sym$. A steel ball launched by the air gun colides against CFRP laminates to generate impact damages. The damage growth during bending fatigue test is observed by the scanning acoustic microscope(SAM). When the impacted side is compressed, the residual fatigue bending strength of CF/PEEK specimen P is greater that that of CF/EPOXY SPECIMEN B. On the other hand, when the impacted side is in tension, the residual fatigue bending strength of CF/PEEK speicemen P is smaller than that of CF/EPOXY specimen B. In the case of impacted-side compression, fracture is proposed from the transverse crack generated near impact point. On the other hand, fracture is developed toward the impact point from the edge of interface-b delamination in the case of impacted-side tension.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.2
no.2
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pp.13-19
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2011
This paper presents the stress distribution of the damaged butt joint of steel plate using CFRP laminates when the flange in tension zone of steel box girder is welded by butt welding. When CFRP sheets are patched on tension flange of steel-box girder, the stress distribution of a vertical and normal direction on damaged welding part is shown as parameters such as a variation of the thickness of adhesive, the overlap length with steel, and the modulus of elasticity of CFRP sheets. For the study, we wrote the computer program using the EAS(Enhanced assumed strain) finite element method for plane strain that has a very fast convergency and exact stress for distorted shape.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.52
no.3
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pp.248-254
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2015
The strength and fatigue life of Satin and Twill-woven CF/epoxy composite(CFRP) have been investigated. Damage mechanism fatigue method has been used to assess fatigue damage accumulation. It is based on measured residual stiffness and residual strength of carbon-fiber reinforced plastic(CFRP) laminates under cyclic loading. Fatigue damage evolution in composite laminates and predict fatigue life of the laminates were simulated by finite element analysis(FEA) method. The stress analysis was carried out in MSC patran/Nastran. A modified Hashin's failure criterion di rmfjapplied to predict the failure of the experimental data of fatigue life but a Ye-delamination criterion was ignored because of 2D modeling. Almost linear stiffness and strength degradation were observed during most of the fatigue process. These stress distribution data were adopted in the simulation to simulate fatigue behavior and estimate life of the laminates. From the results, the predicted fatigue life is more conservatively estimated than the experimental results.
High-cycle fatigue characteristics of quasi-isotropic carbon fiber reinforced plastic (CFRP) laminates [-45/0/45/90]s up to $10^8$ cycles were investigated. To assess the fatigue behavior in the high-cycle region, fatigue tests were conducted at a frequency of 100 Hz, since it is difficult to investigate the fatigue characteristics in high-cycle at 5 Hz. Then, the damage behavior of the specimen was observed with a microscope, soft X-ray photography and a 3D ultrasonic inspection system. In this study, to evaluate quantitative characteristics of both transverse crack propagation and delamination growth in the high-cycle region, the energy release rate associated with damage growth in the width direction was calculated. Transverse crack propagation and delamination growth in the width direction were evaluated based on a modified Paris law approach. The results revealed that transverse crack propagation delayed under the test conditions of less than ${\sigma}_{max}/{\sigma}_b$ = 0.3 of the applied stress level.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.3
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pp.832-842
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1996
Fatigue life prediction and fatigue behavior of circular notched carbon fiber reinforced plastic laminates are presented. Point and average stress criteria by Whitney and Nuismer are generalized to fatigue fracture criteria for notched laminates. Residual strength degradation model and the assumptions on the stress redistribution are introduced during the derivation of prediction equations. S-N curve, Basquin's relation, and H and H's FLPE1 are chosen for evaluation of residual strength of unnotched laminates and six prediction equations are derived. Experiments are performed using Graphite/Epoxy laminates whose fiber orientation is $[0$^\circ$/+45$^\circ$/-45$^\circ$/90$^\circ$]s. Presented prediction equations are reasonably close to experimental data and proposed appoach is found to be suitable to predict fatigue life of notched composite laminates.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.28
no.7
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pp.1222-1230
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2022
The rotor blade is an important component of a tidal stream turbine and is affected by a large thrust force and load due to the high density of seawater. Therefore, the performance must be secured through the geometrical and structural design of the blade and the blade structural safety to which the composite material is applied. In this study, a 1 MW class large turbine blade was designed using the blade element momentum (BEM) theory. GFRP is a fiber-reinforced plastic used for turbine blade materials. A sandwich structure was applied with CFRP to lay-up the blade cross-section. In addition, to evaluate structural safety according to flow variations, static load analysis within the linear elasticity range was performed using the fluid-structure interactive (FSI) method. Structural safety was evaluated by analyzing tip deflection, strain, and failure index of the blade due to bending moment. As a result, Model-B was able to reduce blade tip deflection and weight. In addition, safety could be secured by indicating that the failure index, inverse reserve factor (IRF), was 1 or less in all load ranges excluding 3.0*Vr of Model-A. In the future, structural safety will be evaluated by applying various failure theories and redesigning the laminated pattern as well as the change of blade material.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.6
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pp.102-112
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2020
In this study, in order to design a wedge-type anchor that can hold an wide carbon plate with a width of 100 mm or more that can be used in a bridge structure, the mechanical behaviors are evaluated based on the main design variables such as the angle of the wedge and the coefficient of friction between the guide and the wedge. The stress state of the carbon plate was calculated by numerical analysis method for each design variable, and the performance of the anchor in the critical state was evaluated according to the failure criteria for composite material, and the optimal design specifications of the anchor were determined based on numerical results. The performance of the optimally designed anchor was verified through actual experiments, and the results of this study are considered to be useful for the optimal design of the CFRP plate anchor to reinforce large structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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