In this paper, nonlinear displacements of laminated composite beams are investigated under non-uniform temperature rising with temperature dependent physical properties. Total Lagrangian approach is used in conjunction with the Timoshenko beam theory for nonlinear kinematic model. Material properties of the laminated composite beam are temperature dependent. In the solution of the nonlinear problem, incremental displacement-based finite element method is used with Newton-Raphson iteration method. The distinctive feature of this study is nonlinear thermal analysis of Timoshenko Laminated beams full geometric non-linearity and by using finite element method. In this study, the differences between temperature dependent and independent physical properties are investigated for laminated composite beams for nonlinear case. Effects of fiber orientation angles, the stacking sequence of laminates and temperature on the nonlinear displacements are examined and discussed in detail.
The present paper focuses on experimental verification of the ply-by-ply basis inelastic analysis of multidirectional laminates. First of all, rate dependence of the tensile behavior of balanced symmetric cross-ply T800H/epoxy laminates with a $[0/90]_{3S}$ lay-up under off-axis loading conditions at $100^{\circ}C$ is examined. Uniaxial tension tests are performed on plain coupon specimens with various fiber orientations $[{\theta}/(90-{\theta})]_{3S}$ ($\theta$ = 0, 5, 15, 45 and $90^{\circ}C$) at two different strain rates (1.0 and 0.01%/min). The off-axis stress.strain curves exhibit marked nonlinearity for all the off-axis fiber orientations except for the on-axis fiber orientations $\theta$ = 0 and $90^{\circ}$, regardless of the strain rates. Strain rate has significant influences not only on the off-axis flow stress in the regime of nonlinear response but also on the apparent off-axis elastic modulus in the regime of initial linear response. A macromechanical constitutive model based on a ply viscoplasticity model and the classical laminated plate theory is applied to predictions of the rate-dependent off-axis nonlinear behavior of the cross-ply CFRP laminate. The material constants involved by the ply viscoplasticity model are identified on the basis of the experimental results on the unidirectional laminate of the same carbon/epoxy system. It is demonstrated that good agreements between the predicted and observed results are obtained by taking account of the fiber rotation induced by deformation as well as the rate dependence of the initial Young's moduli.
The study investigated the nondestructive characteristics of damage, caused by law-velocity impact, on symmetric cross-ply laminates, composed of [0o/90o]16s, 24s, 32s, 48s. The thickness of the laminates was 2, 3, 4 and 6 mm, respectively. The impact machine used, Model 8250 Dynatup Instron, was a drop-weight type that employed gravity. The impact velocities used in this experiment were 0.75, 0.90, 1.05, 1.20 and 1.35 m/sec, respectively. Both the load and the deformation increased when the impact velocity was increased. Further, when the load increased with the laminate thickness in the same impact velocity, the deformation still decreased. The extensional velocity was quick, as the laminate thickness increased in the same impact velocity and the impact velocity increased in the same laminate thickness. In the ultrasonic scans, the damaged area represented a dimmed zone. This is due to the fact that the wave, after the partial reflection by the deflects, does not have enough energy to touch the opposite side or to come back from it. The damaged laminate areas differed, according to the laminate thickness and the impact velocity. The extensional velocities are lower in the 0o direction and higher in the 90o direction, when the size of the defect increases. However, it was difficult to draw any conclusion for the extensional velocities in the 45o direction.
Hosseini-Toudeshky, Hossein;Goodarzi, M. Saeed;Mohammadi, Bijan
Structural Engineering and Mechanics
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v.48
no.1
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pp.41-56
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2013
Initiation and growth of delamination is a great concern of designers of composite structures. Interface elements with de-cohesive constitutive law in the content of continuum damage mechanics can be used to predict initiation and growth of delamination in single and mixed mode conditions. In this paper, an interface element based on the cohesive zone method has been developed to simulate delaminatoin growth of post-buckled laminate under fatigue loading. The model was programmed as the user element and user material by the "User Programmable Features" in ANSYS finite element software. The interface element is a three-dimensional 20 node brick with small thickness. Because of mixed-mode condition of stress field at the delamination-front of post-buckled laminates, a mixed-mode bilinear constitutive law has been used as user material in this model. The constitutive law of interface element has been verified by modelling of a single element. A composite laminate with initial delamination under quasi-static compressive Loading available from literature has been remodeled with the present approach. Moreover, it will be shown that, the closer the delamination to the free surface of laminate, the slower the delamination growth under compressive fatigue loading. The effects of laminate configuration on delamination growth are also investigated.
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.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1993.10a
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pp.650-655
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1993
Carbon/epoxy composite(CFRP) coupons previously damaged by low velocity impact were tested under static tensile loading and microscope progress of damage was characterized by ultrasonic C-scan, Scanning Acoustic Microscopy (SAM) and Acoustic Emission(AE) techniques which were based on the application of elastic waves. The degress of impact damage has been correlated with the AE activity during monotonic or loading/unloading tensile testing as well as the result of ultrasonic test. The coupons were subjected to impact velocities ranged from 0.71 to 2.17 m/sec, which introduced the amount of damage rated as 0%, 10%, 30%, and 50% with reference to the total absorbed energy at fracture. Special attention was paid to determine optimal AE parameters to characterize the microscopic fracture process and to predict the residual strength of composite laminates. AE RMS voltage during the early stage of tensile loading was found an effective parameter to quantify the degree of impact damage. It was also found that the Felicity ratio is closely related to the stacking sequence and the residual strength of the CFRP laminates.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.1
no.3
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pp.35-40
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2010
The specially orthotropic plate theory is used for analysis of panels made of girders and cross-beams. The cross-sections of both girders and cross-beams are H-types. The results of application of this method to rolled beam bridge by using specially orthotropic plate theory is presented. The result is compared with that of the beam theory. Finite difference method is used for this purpose. The influence of the $D_{22}$ stiffness on the natural frequency is rigorously investigated. According to numerical examination given in this paper, the result by the plate theory is 2.43 times stiffer than that of beam theory.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.1
no.2
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pp.59-65
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2010
The simple supported reinforced concrete slab bridges are analyzed by the specially orthotropic laminates theory. This method, however, may be too difficult for some practising engineers. In this paper, the result of analysis for such plate by means of the beam theory with unit width is reported. By using the "correction factor", the accurate solution for the plate can be obtained by the beam theory. By using the "correction factor", the accurate solution for the plate can be obtained by the beam theory. The plate aspect ratio considered is from 1 : 1 to 1 : 6. The result of this paper can be used for simply supported slab bridges analysis.
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.
Seddighi, Mehdi;Barkhordari, Mohammad A.;Hosseinzadeh, S.A.A.
Steel and Composite Structures
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v.33
no.5
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pp.729-746
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2019
The nonlinear behavior of single- and multi-story steel plate shear walls (SPSWs) strengthened with three different patterns of fiber reinforced polymer (FRP) laminates (including single-strip, multi-strip and fully FRP-strengthened models) is studied using the finite element analysis. In the research, the effects of orientation, width, thickness and type (glass or carbon) of FRP sheets as well as the system aspect ratio and height are investigated. Results show that, despite an increase in the system strength using FRP sheets, ductility of reinforced SPSWs is decreased due to the delay in the initiation of yielding in the infill wall, while their initial stiffness does not change significantly. The content/type/reinforcement pattern of FRPs does affect the nonlinear behavior characteristics and also the mode and pattern of failure. In the case of multi-strip and fully FRP-strengthened models, the use of FPR sheets almost along the direction of the infill wall tension fields can maximize the effectiveness of reinforcement. In the case of single-strip pattern, the effectiveness of reinforcement is decreased for larger aspect ratios. Moreover, a relatively simplified and approximate theoretical procedure for estimating the strength of SPSWs reinforced with different patterns of FRP laminates is presented and compared with the analytical results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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