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.
Through the use of finite element analysis and acoustic emission techniques we have evaluated the interfacial failure of a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) repair patch on a notched aluminum substrate. The repair of cracks is a very common and widely used practice in the aeronautics field to extend the life of cracked sheet metal panels. The process consists of adhesively bonding a patch that encompasses the notched site to provide additional strength, thereby increasing life and avoiding costly replacements. The mechanical strength of the bonded joint relies mainly on the bonding of the adhesive to the plate and patch stiffness. Stress concentrations at crack tips promote disbonding of the composite patch from the substrate, consequently reducing the bonded area, which makes this a critical aspect of repair effectiveness. In this paper we examine patch disbonding by calculating the influence of notch tip stress on disbond area and verify computational results with acoustic emission (AE) measurements obtained from specimens subjected to uniaxial tension. The FE results showed that disbonding first occurs between the patch and the substrate close to free edge of the patch followed by failure around the tip of the notch, both highest stress regions. Experimental results revealed that cement adhesion at the aluminum interface was the limiting factor in patch performance. The patch did not appear to strengthen the aluminum substrate when measured by stress-strain due to early stage disbonding. Analysis of the AE signals provided insight to the disbond locations and progression at the metal-adhesive interface. Crack growth from the notch in the aluminum was not observed until the stress reached a critical level, an instant before final fracture, which was unaffected by the patch due to early stage disbonding. The FE model was further utilized to study the effects of patch fiber orientation and increased adhesive strength. The model revealed that the effectiveness of patch repairs is strongly dependent upon the combined interactions of adhesive bond strength and fiber orientation.
Park, Sung-Min;Shin, Dong-Woo;Kwon, Il-Jun;Yoo, Sung-Hun;Moon, Wan-Kee
Composites Research
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v.28
no.6
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pp.378-382
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2015
With increasing population density and high-rise expansion of buildings in recent years, elevators have become to play a pivotal role in our everyday lives as most people take an elevator several times even in a day. The elevator penetration and distribution rates in Korea have increased dramatically every year, and the emergence of skyscrapers leads to accelerating the development of elevator industry. Carbon-fiber-reinforced plastics (CFRPs) exhibit better mechanical and thermal properties than steel suitable for uses as elevator wire ropes. In this paper, in order to analyze the properties of CFRPs, the tensile strength of unidirectional (UD) CFRP wire ropes was characterized and finite element analysis was conducted for bending simulation. Simulation results were compared.
Lim, Hyoung Jun;Choi, Ho-Il;Yoon, Sang Jae;Lim, Sang Won;Choi, Chi Hoon;Yun, Gun Jin
Composites Research
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v.34
no.1
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pp.70-75
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2021
This paper presents a novel algorithm to reconstruct meso-scale representative volume elements (RVE), referring to experimentally observed features of Sheet Molding Compound (SMC) composites. Predicting anisotropic mechanical properties of SMC composites is challenging in the multiscale virtual test using finite element (FE) models. To this end, an SMC RVE modeler consisting of a series of image processing techniques, the novel reconstruction algorithm, and a FE mesh generator for the SMC composites are developed. First, micro-CT image processing is conducted to estimate probabilistic distributions of two critical features, such as fiber chip orientation and distribution that are highly related to mechanical performance. Second, a reconstruction algorithm for 3D fiber chip packing is developed in consideration of the overlapping effect between fiber chips. Third, the macro-scale behavior of the SMC is predicted by the multiscale analysis.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.4A
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pp.267-279
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2009
A numerical model that can simulate the nonlinear behavior of ultra high strength fiber reinforced concrete (UHSFRC) structures subjected to monotonic loading is introduced. The material properties of UHSFRC, such as compressive and tensile strength or elastic modulus, are different from normal strength reinforced concrete. The uniaxial compressive stress-strain relationship of UHSFRC is designed on the basis of experimental result, and the equivalent uniaxial stress-strain relationship is introduced for proper estimation of UHSFRC structures. The steel is uniformly distributed over the concrete matrix with particular orientation angle. In advance, this paper introduces a numerical model that can simulate the tension-stiffening behavior of tension part of the axial member on the basis of the bond-slip relationship. The reaction of steel fiber is considered for the numerical model after cracks of the concrete matrix with steel fibers are formed. Finally, the introduced numerical model is validated by comparison with test results for idealized UHSFRC beams.
The lightweight superstructure is beneficial for bridges in remote areas and emergency erection. In such weight-sensitive applications, the combination of fiber-reinforced polymer (FRP) as a material and box-beams as a structural system have enormous scope. This combination offers various advantages, but as a thin-walled structure, their designs are often governed by buckling criteria. FRP box-beams lose their stability either by flange or web buckling mode. In this paper, the web buckling behavior of simply supported FRP box-beam subjected to transverse load has been studied by modeling full box-beam to consider the effect of real state of stress (stress variation in length direction) and boundary conditions (rotational restraint at web-flange junction). A parametric study by varying the sectional geometry and fiber orientation is carried out by using ANSYS software. The accuracy of the FE models was ensured by verifying them against the available results provided in the literature. With the help of developed database the influential parameters (i.e., αs, βw, δw and γ) affecting the web bucklings are identified. Design trends have been developed which will be helpful to the designers in the preliminary stage. Finally, the importance of governing parameters and design trends are demonstrated through pedestrian bridge design.
In this paper, a closed-form rigorous solution for interfacial stress in continuous steel beam with variable section strengthened with bonded prestressed FRP plates and subjected to a uniformly distributed load is developed using linear elastic theory and including the variation of fiber volume fractions with a longitudinal orientation of the fibers of the FRP plates. The results show that there exists a high concentration of both shear and normal stress at the ends of the laminate, which might result in premature failure of the strengthening scheme at these locations. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. Overall, the predictions of the different solutions agree closely with each other. A parametric study has been conducted to investigate the sensitivity of interface behavior to parameters such as laminate and adhesive stiffness, the thickness of the laminate and the fiber volume fractions where all were found to have a marked effect on the magnitude of maximum shear and normal stress in the composite member. This research gives a numerical precision in relating to the others studies which neglect the effect of prestressed plate and the shear lag impact. The physical and geometric properties of materials are taken into account, and that may play an important role in reducing the interfacial stresses magnitude.
Lee, Jin Young;Kim, Mi Hye;Min, Kyung Hwan;Yoon, Young Soo
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.15
no.4
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pp.155-164
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2011
In the case of impact loading test, measurement of the test data has difficulties due to fast loading velocity. In addition, the dynamic behaviors of specimens are distorted by ignoring local fracture. In this study, therefore, finite element analysis which considers local fracture and strain rate effect on impact load was performed by using LS-DYNA, an explicit analysis program. The one-way and two-way specimens strengthened with FRP Sheets and steel fibers were considered as analysis models. The results showed that the impact resistance of steel fiber reinforced concrete (SFRC) and ultra high performance concrete (UHPC) was enhanced. In the case of specimens strengthened with FRP Sheets, GFRP was superior to CFRP in the performance of impact resistance, and there was little effect of the FRP Sheet orientation. The reliability of this analysis model was verified by comparing with previous experimental results.
In the present study, the combined effects of thermal and mechanical loadings on the interlaminar shear stresses of both moderately thin and thick composite laminated beams are numerically analyzed. The finite element modelling of laminated composite beams and analysis of interlaminar stresses are performed using the commercially available software package MSC NASTRAN/PATRAN. The validity of the finite element analysis (FEA) is demonstrated by comparing the experimental test results obtained due to mechanical loadings under the influence of thermal environment with those derived using the present FEA. Various parametric studies are also performed to investigate the effect of thermal loading on interlaminar stresses generated in symmetric, anti-symmetric, asymmetric, unidirectional, cross-ply, and balanced composite laminated beams of different stacking sequences with identical mechanical loadings and various boundary conditions. It is shown that the elevated thermal environment lead to higher interlaminar shear stresses varying with the stacking sequence, length to thickness ratio, ply orientations under identical mechanical loading and boundary conditions of the composite laminated beams. It is realized that the magnitude of the interlaminar stresses along xz plane is always much higher than those of along yz plane irrespective of the ply-orientation, length to thickness ratios and boundary conditions of the composite laminated beams. It is also observed that the effect of thermal environment on the interlaminar shear stresses in carbon-epoxy fiber reinforced composite laminated beams are increasing in the order of symmetric cross-ply laminate, unidirectional laminate, asymmetric cross-ply laminate and anti-symmetric laminate. The interlaminar shear stresses are higher in thinner composite laminated beams compared to that in thicker composite laminated beams under all environmental temperatures irrespective of the laminate stacking sequence, ply-orientation and boundary conditions.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.19
no.8
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pp.50-55
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2020
This study investigates the injection molding of a plastic rack gear and focuses on deflections in the part. The causes of deflections were found and resolved through a trade-off study by injection molding analysis. Based on a warpage analysis, the fiber orientation was found to be a dominant factor in the occurrence of deflections. Changes in the part design and various injection conditions were analyzed for their effects in reducing deflections. Based on the trade-off study, a new part bottom design, injection time, and melt temperature were recommended. A trial injection was done for the new plastic rack gear, and measurements showed that its flatness surpassed that of the original part and met the specified requirement. The short injection time, low melt temperature, and symmetric similar configuration of the part contributed to the reduction in deflections. Therefore, optimized gate design and injection conditions as well as a new part design were validated through injection molding analysis in this study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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