Lee, Bang Yeon;Han, Byung-Chan;Cho, Chang-Geun;Kim, Yun Yong
Computers and Concrete
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제10권2호
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pp.105-119
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2012
This paper presents the mix composition and production method that was applied to an extruded Ductile Fiber Reinforced Cement Composite (DFRCC) panel, as well as the flexural performance, represented by deformation hardening behavior with multiple cracking. The effect of fiber distribution characteristics on the flexural behavior of the panel is also addressed. In order to demonstrate the fiber distribution effect, a series of experiments and analyses, including a sectional image analysis and micromechanical analysis, was performed. From the experimental and analysis results, it was found that the flexural behavior of the panel was highly affected by a slight variation in the mix composition. In terms of the average fiber orientation, the fiber distribution was found to be similar to that derived under the assumption of a two-dimensional random distribution, irrespective of the mix composition. In contrast, the probability density function for the fiber orientation was measured to vary depending on the mix composition.
This paper is the study on dry sliding wear behavior of carbon fiber reinforced epoxy matrix composites against lay-up orientation. Tests were investigated on the effect of the lay-up orientation, fiber sliding direction, load and sliding velocity when circumstance keep continuously at $21^{\circ}C$, 60%RH. Pin-on-disk dry sliding wear tests for each experimental condition were carried out with a carbon fiber reinforced plastic pin on stainless steel disk in order to search the friction and wear characteristics. The wear rates and friction coefficients against the stainless steel counterpart were experimentally determined and the wear mechanisms were microscopically observed. The effect on friction and wear behavior are observed differently, according to various conditions. When sliding took place against counterpart, the highest wear resistance and the lowest friction coefficient were observed in the $[0]_{24s}$ lay-up orientation at anti-parallel direction.
Current efforts to establish links between geometrical features and mechanical performance of nonwoven fabrics in general, and of point-bonded (spot-bonded) nonwovens in particular has been made using the measurements of Fiber Orientation Distribution Function (ODF) and tensile modulus which occurs during controlled-deformation experiments. Image analysis technique (using the Fast Fourier Transform) was used to quantify the fiber orientation distribution. The results suggest that, within a typical window of processing conditions, the fiber orientation has a significant influence on the anisotropical behavior of nonwoven. The data also suggest that mechanical anisotropy of thermally point-bonded nonwovens is likely to be governed by different load transfer mechanism according to the applied macroscopic tensile direction.
This report presents a new technical approach for evaluating the fiber orientation of composites using small-angle light scattering (SALS). Glass fiber (GF)/polypropylene (PP) composites with different fiber orientations were prepared by drawing compression-molded specimens. The drawn samples were remelted and then annealed at $150^{\circ}C$ in order to induce a crystalline structure on the fiber surface, and then underwent SALS analysis. The samples showed a combination of circular and streak patterns. The model calculations demonstrated that the number of nuclei on the fiber surface and the thickness of the transcrystalline layer affected the sharpness and intensity of the streak pattern. In addition, the azimuthal angle of the streak pattern was found to be dependent on the direction of the transcrystalline layer, which correlated with the fiber direction. This correlation suggests that the fiber orientation in the composites can be easily evaluated using SALS.
Finite element analyses of structures made of the fiber reinforced composites require an adequate method to characterize the high anisotropic behavior induced by one or several layers of fiber cords with different spatial orientation embedded in a rubber matrix. This paper newly proposes a continuum based rebar element considering change of the orientation of the fiber during deformation of the composite. The mechanical behavior of the embedded fiber is modeled using two-node bar elements in order to consider the relative deformation and spatial orientation of the embedded fiber. For improvement of the analysis accuracy, the load-displacement curve of fiber is applied to the stiffness matrix of fiber. A finite element program is constructed based on the total Lagrangian formulation considering both geometric and material nonlinearity. Finite element analyses of the tensile test are carried out in order to evaluate the validity of the proposed method. Analysis results obtained with the proposed method provides realistic representation of the fiber reinforced rubber composite compared to results of other two models by the Halpin-Tsai equation and a rebar element in ABAQUS/Standard.
A selection of commercially available poly(ethy1ene terephtha1ate) fibers with different degrees of molecular alignment and crystallinity have been investigated utilizing a wide range of techniques including optical microscopy, infrared spectroscopy together with thermal and wide-angle X-ray diffraction techniques. Annealing experiments showed increased molecular alignment and crystallinity as shown by the increased values of birefringence and melting enthalpies. Crystallinity values determined from thermal analysis, density, unpolarized infrared spectroscopy and X-ray diffraction are compared and discussed in terms of the inherent capabilities and limitations of each measurement technique. The birefringence and refractive index values obtained from optical microscopy are found to decrease with increasing wavelength of light used in the experiments. The wide-angle X-ray diffraction analysis shows that the samples with relatively low orientation possess oriented non-crystalline array of chains whereas those with high molecular orientation possess well defined and oriented crystalline array of chains along the fiber axis direction. X-ray analysis showed increasing crystallite size trend with increasing molecular orientation. SEM images showed micro-cracks on low oriented fiber surfaces becoming smooth on highly oriented fiber surfaces. Excellent bending characteristics were observed with knotted fibers implying relatively easy fabric formation.
In this work, an elastic-plastic stress analysis has been conducted for silicon carbide fiber reinforced magnesium metal matrix composite beam. The composite beam has a rectangular cross section. The beam is cantilevered and is loaded by a single force at its free end. In solution, the composite beam is assumed perfectly plastic to simplify the investigation. An analytical solution is presented for the elastic-plastic regions. In order to verify the analytic solution results were compared with the finite element method. An rectangular element with nine nodes has been choosen. Composite plate is meshed into 48 elements and 228 nodes with simply supported and in-plane loading condations. Predictions of the stress distributions of the beam using finite elements were overall in good agreement with analytic values. Stress distributions of the composite beam are calculated with respect to its fiber orientation. Orientation angles of the fiber are chosen as $0^{circ},\;30^{circ},\;45^{circ},\;60^{circ}\;and\;90^{circ}$. The plastic zone expands more at the upper side of the composite beam than at the lower side for $30^{circ},\;45^{circ}\;and\;60^{circ}$ orientation angles. Residual stress components of ${\sigma}_{x}\;and \;{\tau}_{xy}$ are also found in the section of the composite beam.
The use of engineering plastics in automotive components is increasing with the trend towards improving the car strength and reducing weight. Among the different choices of materials, engineering plastic emerged as the necessary material for achieving lower costs, reduced weight and improved production efficiency. To produce the automotive parts, it is important to predict defect and validation of injection molding prior to design. Injection molding analysis and structural analysis are widely applied as a part of the design process when developing automotive parts. Injection molding analysis, in particular, involves a highly complicated mechanism that requires deep knowledge of polymer properties as well as an analytic approach different from that used for a general isotropic material when the molded material is used as a structural material. This is because the parts made of polymer have pre-stress factors such as intrinsic deformation and residual stress. The most important factors for injection molded plastic products are injection molding condition and cavity design, taking into account ease of molding, mass production and application. Despite optimal injection molding conditions and cavity design, however, glass fiber orientation is critically linked to strength reduction. The application of injection molding and structural coupled analysis provides a low-cost solution for product molding and structural validation, all prior to the actual molding. The purpose of this study involves the validation, pre-study, and solution of defect in injection-molded polymer automotive parts using the simulation software for injection molding and structural coupled analysis. Finally, this thesis provides validation of an injection molding and structural coupled analytic mechanism that can demonstrate the effect of glass fiber orientation on mechanical strength. Design improvement ideas for the injection molded product of PPS (Poly Phenylene Sulfide)+40% glass fiber are also suggested.
유한요소법(finite element method)은 다양한 분야에서 재료의 역학적 거동을 더욱더 현실적으로 해석하고 예측하는 방법으로 다양한 분야의 제품 개발에 적용되고 있다. 하지만 섬유배향과 변형률 속도가 역학적 특성에 영향을 미치는 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료에 관한 수치해석을 이용한 접근 방법은 현재까지 다소 어려움이 있다. 본 연구의 목적은 고분자, 고무, 금속 등과 같은 다양한 복합재료를 위한 선형, 비선형 다중스케일 재료 모델링 프로그램인 Digimat의 수치해석 재료 모델을 활용하여 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료의 역학적 특성을 정의하고 검증하는 것에 있다. 또한 이를 통해 좀더 현실적으로 고분자 복합재료의 거동을 예측하고자 한다. 이를 위해 다양한 고분자 중 30wt%의 단섬유 질량 비율을 갖는 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)의 섬유배향과 변형률 속도에 따른 인장 특성을 참고문헌을 통해 조사하였다. 또한 Moldflow 프로그램을 사용한 사출해석을 통해 유리섬유 배향 정보를 계산하였으며 이를 매핑(mapping) 과정을 통해 유한요소 인장 시편 모델에 전달하였다. 대표적인 유한요소 상용 프로그램 중 하나인 LS-DYNA는 유리섬유 배향과 변형률 속도에 따른 복합재료의 인장 특성을 연구하기 위해 Digimat과의 연성해석(coupled analysis)에 활용되었다. 그리고 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료를 해석하기 위한 LS-DYNA의 다양한 비등방성(anisotropic) 재료 모델들의 장단점을 서로 비교하고 평가하였다.
본 연구는 사출 성형 공정을 통하여 제작되는 단섬유강화 플라스틱 복합재료의 구조해석 기법에 관한 내용으로 소재의 이방성 기계물성을 예측하고 이를 구조해석에 적용하도록 하였다. 사출 성형 공정을 통하여 제작되는 단섬유강화 플라스틱 복합재료의 구조해석에 있어서 기존의 경우는 일반적으로 소재의 기계적 물성을 균질 등방성 탄성 모델로 이용하여 왔으나, 실제 부품 파손 모드와 크게 상이한 경우가 많다. 이러한 점을 극복하고자 사출 성형 g,름 해석, 일방향성 복합재료의 Halpin-Tsai 식과 배향 평균 모델을 도입하여 단섬유강화 플라스틱 복합재료의 섬유배향 효과가 고려되도록 새로운 구조해석 시스템을 개발하였다. 해석의 정확도는 시편시험 결과와의 비교를 통하여 검증하였으며, 섬유 배향 및 웰드라인 영향 및 섬유 함량에 따른 변화가 해석에 장 반영됨을 확인하였다. 또한 자동차 부품에 개발된 해석 시스템을 적용하여 균질 등방 모델과 달리 부품의 위치별로 다른 기계적 성능이 반영되고, 사출 게이트 위치에 따라 유리섬유 배향이 변화하여 부품의 성능이 달라짐을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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