The effects of moisture and temperature on buckling of laminated composite cylindrical shell panels are investigated both numerically and experimentally. A quadratic isoparametric eight-noded shell element is used in the present analysis. First order shear deformation theory is used in the present finite element formulation for buckling analysis of shell panels subjected to hygrothermal loading. A program is developed using MATLAB for parametric study on the buckling of shell panels under hygrothermal field. Benchmark results on the critical loads of hygrothermally treated woven fiber glass/epoxy laminated composite cylindrical shell panels are obtained experimentally by using universal testing machine INSTRON 8862. The effects of curvature, lamination sequences, number of layers and aspect ratios on buckling of laminated composite cylindrical curved panels subjected to hygrothermal loading are considered. The results are presented showing the reduction in buckling load of laminated composite shells with the increase in temperature and moisture concentrations.
The postbuckling behavior of laminated composite plates and shells, subjected to various shear loadings, is presented, using a modified 8-ANS method. The finite element, based on a modified first-order shear deformation theory, is further improved by the combined use of assumed natural strain method. We analyze the influence of the shell element with the various location and number of enhanced membrane and shear interpolation. Using the assumed natural strain method with proper interpolation functions, the present shell element generates neither membrane nor shear locking behavior even when full integration is used in the formulation. The effects of various types of lay-ups, materials and number of layers on initial buckling and postbuckling response of the laminated composite plates and shells for various shear loading have been discussed. In addition, the effect of direction of shear load on the postbuckling behavior is studied. Numerical results and comparisons of the present results with those found in the literature for typical benchmark problems involving symmetric cross-ply laminated composites are found to be excellent and show the validity of the developed finite element model. The study is relevant to the simulation of barrels, pipes, wing surfaces, aircrafts, rockets and missile structures subjected to intense complex loading.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.11
no.3
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pp.77-83
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2011
Laminated composite plates have shown their superiority over metals in applications requiring high specific strength, high specific modulus, and so on. Therefore, they have used in various industry. However, they have poor resistance to impact compared to typical metal materials. To resolve this problem by many researchers for a variety of studies have been attempted. This study investigates characteristic of impact behavior of laminated composite plates due to initial stress. Using finite element program which involved the indentation law, we investigate characteristic of impact behavior of laminated composite plates due to initial stress.
The ratios of elastic to shear modulus of the structures as laminated composite plates and shells, are very large. They are much susceptible to effect of shear deformation. In order to obtain the accurate solutions of laminated composite plate and shells, the effects of shear strain should be considered for the analysis and design of them. Especially, the more exact solution can be obtained in applying to higher-order shear deformation theory. Therefore, in this paper, the third-order shear deformation theory is used to present the distributions of bending, the characteristics of natural frequencies and the buckling load according to the effects of ply orientation, number of layers for the laminated composite plates and shells with simply supported boundary conditions.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.8
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pp.665-672
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2013
One of the major causes of stiffness and strength degradations in laminated composite structures is the delamination between composite layers. In most engineering applications, laminated composite structures have certain curvatures. If the curved composite structure is subjected to bending that tends to flatten the composite structures, through the thickness stresses can be generated in the thickness direction of the composites. Under normal operation open mode delamination could occur at the sites of peak interlaminar stress. This paper describes a technique to determine radial direction stress of a laminated composite structure using a curved beam. Stacking sequence effects of interlaminar stress were studied. The radial location and intensity of the open mode delamination stress were calculated and compared with the results obtained from the analytical solution and finite element method.
In order to evaluate the strength of carbody structures of railway rolling stock made of laminated fiber-reinforced composite materials, total laminate approach was introduced. Structural analyses were conducted to check the basic design of the hybrid composite carbody structure of the Korean Tilting Train eXpress(TTX) with the service speed of l80km/h. The mechanical tests were also conducted to obtain strengths of composite laminates. The results shown that all stress components of composite carbody structures were inside of failure envelopes and total laminate approach was recommended to predict the failure of composite carbody structures at the stage of the basic design.
In this study, natural frequency analysis of a large deflected cantilever laminated composite beam fixed at both ends, which forms the case of a pre-stressed curved beam, is investigated. The laminated beam is considered to have symmetric and asymmetric lay-ups and the effective flexural modulus of the beam is used in the analysis. In order to obtain the pre-stressed composite curved beam case, an external vertical concentrated load is applied at the free end of a cantilever laminated composite beam and then the loading point of the deflected beam is fixed. The non-linear deflection curve of the flexible beam undergoing large deflection is obtained by the Reversion Method. The curved laminated composite beam is modeled by using the Finite Element Method with a straight-beam element approach. The effects of orientation angle and vertical load on the natural frequency parameter for the first four modes are examined and the results obtained are given in graphics. It has been found that the effect of the load parameter, which forms the curved laminated beam, on the natural frequency parameter, almost disappears after a certain value of the load parameter. This certain value differs for each laminated curved beam and each vibration mode.
In general, the curved structures have the engineering efficiency as well as a fine view compared with straight member. Also, composite materials are composed of two or more different materials to produce desirable properties for structural strength as compared to single ones. Shell structures with composite materials have many advantages in strength and weight reduction. Therefore, composite laminated conical shells are analyzed in this study. To solve differential equations of conical shells, this paper used finite difference method. Various parametric study according to the change of radius ratio, vertex angle and subtended angle are examined. The change of radius ratio, vertex angle and subtended angle mean the change from conical shells to cylindrical shells, conical shells to circular plates and open shells closed shells, respectively.
To investigate the failure form, bending stiffness, and residual bearing capacity of monolithic composite beams with laminated slab throughout the fire process, fire tests of four monolithic composite beams with laminated slab were performed under constant load and temperature increase. Different factors such as post-pouring layer thickness, lap length of the prefabricated bottom slab, and stud spacing were considered in the fire test. The test results demonstrate that, under the same fire time and external load, the post-pouring layer thickness and stud spacing are important parameters that affect the fire resistance of monolithic composite beams with laminated slab. Similarly, the post-pouring layer thickness and stud spacing are the predominant factors affecting the bending stiffness of monolithic composite beams with laminated slab after fire exposure. The failure forms of monolithic composite beams with laminated slab after the fire are approximately the same as those at room temperature. In both cases, the beams underwent bending failure. However, after exposure to the high-temperature fire, cracks appeared earlier in the monolithic composite beams with laminated slab, and both the residual bearing capacity and bending stiffness were reduced by varying degrees. In this test, the bending bearing capacity and ductility of monolithic composite beams with laminated slab after fire exposure were reduced by 23.3% and 55.4%, respectively, compared with those tested at room temperature. Calculation methods for the residual bearing capacity and bending stiffness of monolithic composite beams with laminated slab in and after the fire are proposed, which demonstrated good accuracy.
The super convergent laminated composite beam element is newly derived for the lateral stability analysis. For this, a theoretical model of the laminated composite beams is developed based on the first-order shear deformation beam theory. The present laminated beam takes into account the transverse shear and the restrained warping induced shear deformation. The second-order coupling torque resulting from the geometric nonlinearity is rigorously derived. From the principle of minimum total potential energy, the stability equations and force-displacement relationships are derived and the explicit expressions for the displacement parameters are presented by applying the power series expansions of displacement components to simultaneous ordinary differential equations. Finally, the member stiffness matrix is determined using the force-displacement relationships. In order to show accuracy and superiority of the beam element developed by this study, the critical lateral buckling moments for bisymmetric and monosymmetric I-beams are presented and compared with other results available in the literature, the isoparametric beam elements, and shell elements from ABAQUS.
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