Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.3
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pp.249-257
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2011
In this paper, an systematic approach is presented, in which the mixed variational theorem is employed to incorporate independent transverse shear stresses into a classical higher-order shear deformation theory(HSDT). The HSDT displacement field is taken to amplify the benefits of using a classical shear deformation theory such as simple and straightforward calculation and numerical efficiency. Those independent transverse shear stresses are taken from the fifth-order polynomial-based zig-zag theory where the fourth-order transverse shear strains can be obtained. The classical displacement field and independent transverse shear stresses are systematically blended via the mixed variational theorem. Resulting strain energy expressions are named as an enhanced higher-order shear deformation theory via mixed variational theorem(EHSDTM). The EHSDTM possess the same computational advantage as the classical HSDT while allowing for improved through-the-thickness stress and displacement variations via the post-processing procedure. Displacement and stress distributions obtained herein are compared to those of the classical HSDT, three-dimensional elasticity, and available data in literature.
In this study, damage evaluation of glass fiber reinforced thermoplastic composites was investigated with acoustic emission method. Specimens of 1.7mm thickness laminate were made from PET and 7 layers o171ass fabrics. Notch and impact loading were added to the specimen and normal tensile test and tensile test with the dead load were carried out. AE signal was measured as the functions of notch ratio to the width0 and impact energy in order to find out the correlation between fracture mode and AE parameters. The result has shown that low amplitude of AE signal was due to the microcrack of matrix and its growth, whereas the amplitude in the mid range was the response to the delamination and interfacial separation. In the range of high amplitude above 90dB. the fracture of glass fabric was found. Tensile strength decreased with increasing notch ratio to the width and impact energy because of tile effect or delamination, the cracking of matrix and stress concentration. In proportion to the size of damaged area. AE signal showed its wider range of frequency and energy as well as increased number of hits.
The fiber-reinforced composite materials have been advanced for various applications because of their excellent mechanical and electromagnetic properties. On their manufacturing processes, however, thermo-curing inherently produces the undesired thermal deformation mainly from temperature drop from the process temperature to the room temperature, so called spring-back. The spring-back must be understood especially in the hybrid composites in order to design and fabricate desired shape. In this research, (glass fiber / epoxy) + (carbon fiber / epoxy) unsymmetric hybrid composites were fabricated under various conditions such as cure cycle, laminate thickness, stacking sequence and curing sequence. Coupons were made and spring-back were measured using coordinate measuring machine (CMM). Using the Classical Lamination Theory (CLT) and finite element analysis (ANSYS), the behavior of spring-back were predicted and compared with the experimental data. The results from CLT and FEA agreed well with the experimental data. Although, the spring-back could be reduced by lowering curing temperature, at any case, the spring-back could not be removed completely.
The light weight composite materials have been replacing in high performance structures. The object of this study is to examine the effects of the initial crack location about a delamination in a PVC foam cored sandwich composite that is used for the strength improvement of structures. The initial crack location and fiber laminates thickness were changed with several types. The MMB specimen was used for evaluating the fracture toughness and crack behaviors. The material used in the experiment is a commercial twill carbon prepreg in CFRP material and Airex in PVC foam core. Sandwich laminate composites are composed by PVC foam core layer between CFRP face sheets. The face sheets were fabricated as 2 types of 5 and 8 plies. The initial cracks were located in a PVC form core and the interface of upper CFRP sheet. From the results, the crack initiation was affected with the location of the initial crack inserted in the PVC foam core. Among them, the initial crack at 1/3 of the upper part of the PVC foam core was the most rapid progression. And the critical energy release rate was $0.40kJ/m^2$, which is the lowest value when the initial crack was inserted into the interface between a PVC foam core and CFRP laminated with 5 plies. Meanwhile, the highest value of $1.27kJ/m^2$ was obtained when the initial crack was located at the center line in case of the 8 plies.
Park, Jae-Hong;Lee, Eu-Gene;Kim, Tae-Woo;Yim, Hong-Jae;Lee, Kee-Sung
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.12
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pp.1849-1856
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2010
Glass/resin/glass laminate structures are used in the automobile, biological, and display industries. The sandwich structures are used in the micro/nanoimprint process to fabricate a variety of functional components and devices in fields such as display, optics, MEMS, and bioindustry. In the process, micrometer- or nanometer-scale patterns are transferred onto the substrate using UV curing resins. The demodling process has an important impact on productivity. In this study, we investigated the fracture behavior of glass/resin/glass laminates fabricated via UV curing. We performed measurements of the adhesion force and the interfacial energy between the mold and resin materials using the four-point flexural test. The bending-test measurements and the load-displacement curves of the laminates indicate that the fracture behavior is influenced by the interfacial energy between the mold and resin and the resin thickness.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.7
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pp.3207-3215
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2012
In this paper, we study the bending and free vibration analysis of nano plate, using a nonlocal elasticity theory of Eringen with a third-order shear deformation theory. This theory has ability to capture the both small scale effects and quadratic variation of shear strain and consequently shear stress through the plate thickness. Analytical solutions of bending and vibration of a laminated composite nano plate are presented using this theory to illustrate the effect of nonlocal theory on deflection of the nano plates. The relations between nonlocal third-order and local theories are discussed by numerical results. Further, effects of (i) nonlocal parameters, (ii) laminate schemes, (iii) directions of the fiber angle and (iv) number of layers on nondimensional deflections are investigated. In order to validate the present solutions, the reference solutions are used and discussed. The results of anisotropic nano plates using the nonlocal theory may be the benchmark test for the bending analysis.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.9
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pp.414-423
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2020
Fiber-reinforced polymer (FRP) laminate sheets, which are lightweight with high strength, are commonly used to reinforce concrete structures. The bonding strength is vital in structural design. Therefore, experiments and analytical studies with differing variables (concrete compressive strength and tensile strength, the elastic modulus of concrete and FRP, thickness of concrete and FRP, width of concrete and FRP, bond length, effective bond length, fracture energy, maximum bond stress, maximum slip) have been conducted to obtain an accurate numerical model of the bond strength between an FRP sheet and concrete. Although many models have been proposed, no validated model has emerged that could be used easily in practice. Therefore, this study analyzed the parameters that influence the bond strength that were used in 23 of the proposed models (Khalifa model, Iso model, Maeda model, Chen model, etc.) and compared them to the test results of 188 specimens via the numerical results of each model. As a result, an easy-to-use practical model with a simple and high degree of expression was proposed based on the Iso model combined with the effective bond length model that was proposed by Holzenkӓmpfer.
Kim, Do-Won;Jeong, Gyu;Lim, Jae Hyuk;Lim, Jun-Woo;Yu, Byeong-Min;Lee, Kil-Sung
Journal of Aerospace System Engineering
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v.12
no.2
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pp.66-75
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2018
In this paper, a lightweight design of the spar cap of 2MW wind turbine blade was carried out using the ply reduction ratio (PRR) and CFRP with a trade-off study. The spar cap is one of the most critical factor in determining the mechanical performance of the blade. Tsai-Wu and Puck fracture theory were used to determine the fracture. As a result, the CFRP composite material could be lighter in terms of weight by about 30% than GFRP composite material under the same conditions. Based on the analytical results, we derive the optimal value of the laminate thickness of the composite material and present the structural performance improvement and the lightweight design result.
Mousavi, S.M.;Alavi, A.H.;Gandomi, A.H.;Esmaeili, M. Arab;Gandomi, M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.36
no.6
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pp.759-783
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2010
In this paper, compressive strength of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) confined concrete cylinders is formulated using a hybrid method coupling genetic programming (GP) and simulated annealing (SA), called GP/SA, and a robust variant of GP, namely multi expression programming (MEP). Straightforward GP/SA and MEP-based prediction equations are derived for the compressive strength of CFRP-wrapped concrete cylinders. The models are constructed using two sets of predictor variables. The first set comprises diameter of concrete cylinder, unconfined concrete strength, tensile strength of CFRP laminate, and total thickness of CFRP layer. The most widely used parameters of unconfined concrete strength and ultimate confinement pressure are included in the second set. The models are developed based on the experimental results obtained from the literature. To verify the applicability of the proposed models, they are employed to estimate the compressive strength of parts of test results that were not included in the modeling process. A sensitivity analysis is carried out to determine the contributions of the parameters affecting the compressive strength. For more verification, a parametric study is carried out and the trends of the results are confirmed via some previous studies. The GP/SA and MEP models are able to predict the ultimate compressive strength with an acceptable level of accuracy. The proposed models perform superior than several CFRP confinement models found in the literature. The derived models are particularly valuable for pre-design purposes.
Considering the wind power system and the rotor blades which are composed of much technology, the wind power blade would be the most dangerous part because it revolves at high speed and weighs about dozens of tons, if the accident happens. Therefore, the light weight composite materials have been replacing as substitutional materials. The object of this study is to examine the delamination and damage for CFRP/GFRP hybrid composite that is used for strength improvement of a wind power blade. The influence of the initial crack length and fiber orientation for the interlaminar delamination was exposed for the blade safety. Plain woven CFRP instead of GFRP was inserted into the layer of the box spar for improving the strength and blade life. DCB(Double Cantilever Beam) specimen was used for evaluating fracture toughness and damage evaluation of interlaminar delamination. The material used in the experiment is a commercial material known as CF 3327 EPC in plain woven carbon prepreg(Hankuk Carbon Co.) and UD glass fiber prepreg(Hyundai Fiber Co.). From the results, crack growth rate is not so different according to the variation of the initial crack length. Mode I interlamainar fracture toughness of fiber direction $0^{\circ}$ is higher than that of $45^{\circ}$. Interlaminar fracture has an effect on fiber direction and K decreased with lower value according to increasing initial crack length. Also energy release rate fracture toughness was evaluated because CFRP/GFRP hybrid composite with a different thickness is under the mixed mode loading condition. The interlaminar fracture was almost governed by mode I fracture even though the mixed mode.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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