Damage induced by low velocity impact loading in aircraft composite laminates is the form of failure which is occurred frequently in aircraft. Low velocity impact can be caused either by maintenance accidents with tool drops or by in-flight impacts with debris. As the consequences of impact loading in composite laminates, matrix cracking, delamination and eventually fiber breakage for higher impact energies can be occurred. Even when no visible impact damage is observed, damage can exist inside of composite laminates and the carrying load of the composite laminates is considerably reduced. The reduction of strength and stiffness by impact loading occurs in compressive loading due to laminate buckling in the delaminated areas. The objective of this study is to determine inside damage of composite laminates by impact loading and to determine residual compressive strength and the damage growth mechanisms of impacted composite laminates. For this purpose a series of impact and compression after impact tests are carried out on composite laminates made of carbon fiber reinforced epoxy resin matrix with lay up pattern of $[({\pm}45)(0/90)_2]s$ and $[({\pm}45)(0)_3(90)(0)_3({\pm}45)]$. UT-C scan is used to determine impact damage characteristics and CAI(Compression After Impact) tests are carried out to evaluate quantitatively reduction of compressive strength by impact loading.
Park, Chan Yik;Lee, Myung-Keon;Kim, Sang-Yong;Jang, Se-Yong
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.50
no.5
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pp.309-316
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2022
This paper presents nonlinear numerical analysis results which were compared with the tested tensile strengths of CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) laminates with 14 different stacking sequences. The composite laminate coupons were cured under an autoclave pressure using resin-impregnated unidirectional tapes. The nonlinearity of the matrix was considered for the analysis, which was obtained from lamina tests. The Hashin failure criteria and progressive failure analysis were used for the nonlinear finite element analysis. The comparison results show that the current approach is acceptable to predict the tensile strengths of the CFRP laminate coupons with various stacking sequences and no damage. However, it is not acceptable to predict the tensile strengths of the laminate specimens with a center hole.
This paper presents a computational rational model to predict the ultimate and optimized load capacity of reinforced concrete (RC) beams strengthened by a combination of longitudinal and transverse fiber reinforced polymer (FRP) composite plates/sheets (flexure and shear strengthening system). Several experimental and analytical studies on the confinement effect and failure mechanisms of fiber reinforced polymer (FRP) wrapped columns have been conducted over recent years. Although typical axial members are large-scale square/rectangular reinforced concrete (RC) columns in practice, the majority of such studies have concentrated on the behavior of small-scale circular concrete specimens. A high performance concrete, known as polymer concrete, made up of natural aggregates and an orthophthalic polyester binder, reinforced with non-metallic bars (glass reinforced polymer) has been studied. The material is described at micro and macro level, presenting the key physical and mechanical properties using different experimental techniques. Furthermore, a full description of non-metallic bars is presented to evaluate its structural expectancies, embedded in the polymer concrete matrix. In this paper, the mechanism of mechanical interaction of smooth and lugged FRP rods with concrete is presented. A general modeling and application of various elements are demonstrated. The contact parameters are defined and the procedures of calculation and evaluation of contact parameters are introduced. The method of calibration of the calculated parameters is presented. Finally, the numerical results are obtained for different bond parameters which show a good agreement with experimental results reported in literature.
Muhammad Umar Khan;Shamsad Ahmad;Mohammed A. Al-Osta;Ali Husain Algadhib;Husain Jubran Al-Gahtani
Advances in concrete construction
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v.15
no.3
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pp.161-170
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2023
Ultra-high-performance concrete (UHPC) is produced using high amount of cementitious materials, very low water/cementitious materials ratio, fine-sized fillers, and steel fibers. Due to the dense microstructure of UHPC, it possesses very high strength, elasticity, and durability. Besides that, the UHPC exhibits high ductility and fracture toughness due to presence of fibers in its matrix. While the high ductility of UHPC allows it to undergo high strain/deflection before failure, the high fracture toughness of UHPC greatly enhances its capacity to absorb impact energy without allowing the formation of severe cracking or penetration by the impactor. These advantages with UHPC make it a suitable material for construction of the structural members subjected to special loading conditions. In this research work, the UHPC mixtures having three different dosages of steel fibers (2%, 4% and 6% by weight corresponding to 0.67%, 1.33% and 2% by volume) were characterized in terms of their mechanical properties including facture toughness, before using these concrete mixtures for casting the slab specimens, which were tested under high-energy impact loading with the help of a drop-weight impact test setup. The effect of fiber content on the impact energy absorption capacity and central deflection of the slab specimens were investigated and the equations correlating fiber content with the energy absorption capacity and central deflection were obtained with high degrees of fit. Finite element modeling (FEM) was performed to simulate the behavior of the slabs under impact loading. The FEM results were found to be in good agreement with their corresponding experimentally generated results.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1991.10a
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pp.29-32
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1991
It is well known that the fatigue damage process in composite materials is very complicated due to complex failure mechanisms that comprise debounding, matrix cracking, delamination and fiber splitting of laminates. Therefore, the residual strength, instead of a single dominant crack length, is chosen to describe the criticality of the damage accumulated in the sublaminate. In this study, two models for residual strength degradation established by Yang-Liu and Tanimoto-Ishikawa that are capable of predicting the statistical distribution of both fatigue life and residual strength have been investigated and compared. Statistical methodologies for fatigue life prediction of composite materials have frequently been adopted. However, these are usually based on a simplified probabilistic approach considering only the variation of fatigue test data. The main object of this work is to propose a fatigue reliability analysis model which accounts for the effect of all sources of variation such as fabrication and workmanship, error in the fatigue model, load itself, etc. The proposed model is examined using the previous experimental data of GFRP and it is shown that it can be practically applied for fatigue problems in composite materials.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.29
no.6
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pp.654-663
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2012
Damage induced by low velocity impact loading in aircraft composite is the form of failure which is frequently occurred in aircraft. As the consequences of impact loading in composite laminates, matrix cracking, delamination and eventually fiber breakage for higher impact energies can be occurred. Even when no visible impact damage is observed, damage can exist inside of composite laminates and carrying load of the composite laminates is considerably reduced. The objective of this study is to evaluate and predict residual strength behavior of composite laminates by impact loading and for this, tensile test after impact was carried out on composite laminates made of woven CFRP.
A finite element model with the consideration of damage initiation and evolution has been developed for the analysis of the dynamic response of a composite sandwich panel subject to low velocity impact. Typical damage modes including fiber breakage, matrix crushing and cracking, delamination and core crushing are considered in this model. Strain-based Hashin failure criteria with stiffness degradation mechanism are used in predicting the initiation and evolution of intra-laminar damage modes by self-developed VUMAT subroutine. Zero-thickness cohesive elements are adopted along the interface regions between the facesheets and the foam core to simulate the initiation and propagation of delamination. A crushable foam core model with volumetric hardening rule is used to simulate the mechanical behavior of foam core material at the plastic state. The time history curves of contact force and the core collapse area are obtained. They all show a good correlation with the experimental data.
The two dimensional size effect of specimen gauge section ($length{\;}{\times}{\;}width$) was investigated on the compressive behavior of a T300/924 $\textrm{[}45/-45/0/90\textrm{]}_{3s}$, carbon fiber-epoxy laminate. A modified ICSTM compression test fixture was used together with an anti-buckling device to test 3mm thick specimens with a $30mm{\;}{\times}{\;}30mm,{\;}50mm{\;}{\times}{\;}50mm,{\;}70mm{\;}{\times}{\;}70mm{\;}and{\;}90mm{\;}{\times}{\;}90mm$ gauge length by width section. In all cases failure was sudden and occurred mainly within the gauge length. Post failure examination suggests that $0^{\circ}$ fiber microbuckling is the critical damage mechanism that causes final failure. This is the matrix dominated failure mode and its triggering depends very much on initial fiber waviness. It is suggested that manufacturing process and quality may play a significant role in determining the compressive strength. When the anti-buckling device was used on specimens, it was showed that the compressive strength with the device was slightly greater than that without the device due to surface friction between the specimen and the device by pretoque in bolts of the device. In the analysis result on influence of the anti-buckling device using the finite element method, it was found that the compressive strength with the anti-buckling device by loaded bolts was about 7% higher than actual compressive strength. Additionally, compressive tests on specimen with an open hole were performed. The local stress concentration arising from the hole dominates the strength of the laminate rather than the stresses in the bulk of the material. It is observed that the remote failure stress decreases with increasing hole size and specimen width but is generally well above the value one might predict from the elastic stress concentration factor. This suggests that the material is not ideally brittle and some stress relief occurs around the hole. X-ray radiography reveals that damage in the form of fiber microbuckling and delamination initiates at the edge of the hole at approximately 80% of the failure load and extends stably under increasing load before becoming unstable at a critical length of 2-3mm (depends on specimen geometry). This damage growth and failure are analysed by a linear cohesive zone model. Using the independently measured laminate parameters of unnotched compressive strength and in-plane fracture toughness the model predicts successfully the notched strength as a function of hole size and width.
Lee, Yong-Sung;Shin, Ki-Hoon;Cheong, Seong-Kyun;Choi, Ung-Jae;Kim, Young-Keun;Park, Kyung-Rea;Kim, Hong Seok
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.1
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pp.121-127
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2013
With the continuing demand for lightweight bicycles, carbon fiber composite materials have been widely used in manufacturing bicycle frames and components. Unlike general isotropic materials, the structural characteristics of composite materials are strongly influenced by the staking directions and sequences of composite laminates. Thus, to verify the design process of bicycles manufactured using composites, structural analysis is considered essential. In this study, a carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) bicycle frame was designed and its structural behavior was investigated using finite element analysis (FEA). By measuring the failure indices of the fiber and matrix under various stacking sequences and loading conditions, the effect of the stacking condition of composite laminates on the strength of the bicycle structure was examined. In addition, the structural safety of the bicycle frame can be enhanced by reinforcing weak regions prone to failure using additional composite laminates.
To evaluate and investigate the aging characteristics and the structural service lifetime of the CFV(carbon fiber pressure vessel), natural aging tests were carried out using the CFVs, which had been placed and aged at outdoor and indoor laboratories for 10 and 15 years, respectively. To obtain the probabilistic characteristics of ageing characteristics in aged CFVs, inner pressure loading test was conducted with ring specimens taken from aged CFVs. And, to observe the interface morphology of aged CFVs, the micro-photographs were taken by SEM microscope and the fractured interfaces between the carbon fiber and the matrix resin were scrutinized. Based on the Weibull parameters of the tensile failure strain of aged CFVs, the degradation of the 10 and the 15 year aged CFV occur by 19% and 23%, respectively, and the effect of the placement, whether being placed inside the laboratory or not, is not so significant. However, the outer layer protection, such as painting, is found very advantageous to prevent CFV from aging.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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