본 논문은 필라멘트 와인딩 공법으로 제조된 복합재 압력용기의 충격손상 및 이에 대한 표면 보호재료의 영향을 평가한 것이다. 낙하식 충격시험기를 이용하여 기본 패널과 보호재료(고무, kevlar/epoxy 및 glass/epoxy)가 표면에 접착되어 있는 보호 패널에 대한 저속 충격시험을 실시하였다. 복합재 압력용기의 손상 저항성에 대한 표면 보호재료의 영향을 정량화하기 위하여 충격손상 파라미터를 도입하였다. 복합재 압력용기의 손상 저항성은 충격압자의 형상과 관계없이 표면 보호재료의 영향을 크게 받았으며 이러한 표면 보호재료중 glass/epoxy가 가장 큰 보호효과를 나타내었다.
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.
An investigation was performed to study the impact damage of the laminated composite plates caused by a low- velocity foreign object with multi-scale modeling based on the concepts of Direct Numerical Simulation (DNS)[4]. In the micro-scale part, we discretize the composite plates through separate modeling of fiber and matrix for the local microscopic analysis. A micro-scalemodel was developed for predicting the initiation of the damage and the extent of the final damage as a function of material properties, laminate configuration and the impactor's mass, etc. Anda macro-scale model was developed for description of global dynamic behavior. The connection betweenmicroscopic and macroscopic is implemented by the tied interface constraints of LS-DYNA contact card. A transient dynamic finite element analysis was adopted for calculating the contact force history and the stresses and strains inside the composites during impact resulting from a point-nose impactor. The low-velocity impact events such as contact force, deformation, etc. are simulated in the macroscopic sense and the impact damages, fiber-breakage, matrix cracking and delamination etc. are examined in the microscopic sense.
The compressive tests under impact conditions were performed to establish a design guide for impact damage tolerance. The composition of layup was selected for the real cases of composite aircraft structure. The energy level of visible of visible damage threshold was determined as 7 Joules. It was found that the normalized bending stiffnesses in the direction of closely fixed boundary affected the area of damage. Graphite/epoxy used in the tests exhibited 60% reduction in compression strength at the energy level of visible damage threshold. Wet-conditioned specimens represented 9% reduction in residual compressive strength in comparison with room temperature ambient specimens. In this study, a design factor of 2.1 was proposed for the low velocity impact damage.
Sojan Andrews Zachariah;Dayananda Pai K;Padmaraj N H;Satish Shenoy Baloor
Advances in materials Research
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제13권5호
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pp.391-416
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2024
Hybrid composite materials are widely used in various load-bearing structural components of micro - mini UAVs. However, the design of thin laminates for better impact resistance remains a challenge, despite the strong demand for lightweight structures. This work aims to assess the low-velocity impact (LVI) behaviour of thin quasi-isotropic woven carbon/ aramid epoxy hybrid laminates using experimental and numerical techniques. Drop tower impact test with 10 J and 15 J impact energies is performed on carbon/epoxy laminates having aramid layers at different sequences and locations. The impact behaviour is experimentally evaluated using force-time, force-deformation, and energy-time histories considering delamination threshold load, peak load, and laminate deflection. Ultrasonic C-scan is performed on the post-impact samples to analyse the insidious damage profile at different impact energies. The experimental data is further utilized to numerically simulate LVI behaviour by employing the representative volume element model. The numerical results are in good agreement with the experimental data. Numerical and experimental approach predicts that the hybrid laminates with aramid layers at both impact and non-impact sides of the laminate exhibits significant improvement in the overall impact behaviour by having a subcritical damage morphology compared to carbon/epoxy laminate. A combined numerical-experimental approach is proposed for evaluating the effective impact performance.
The potential hazards resulting from a low-velocity impact(bird-strike, tool drop, runway debris, etc.) on aircraft structures, such as engine nacelle or leading edges has been a long-term concern to the aircraft industry. Certification authorities require that exposed aircraft components must be tested to prove their capability to withstand low-velocity impact without suffering critical damage. In most of the past research studies unloaded specimens have been used for impact tests, however, in reality it is much more likely that a composite structure is exposed to a certain stress state when it is being impacted, which can have a significant effect on the impact performance. And the radiated impact sound induced by impact is analyzed for the damage detection evaluation. In this study, an investigation was undertaken to evaluate the effect in-plane loading on the impact force and sound of composite laminates numerically.
The low velocity impact characteristics of composite laminate curved beams are investigated to increase damage tolerance and reduce the deflection. Drop weight impact tests of the composite curved beam were performed with respect to pre-load, then the damage after impact was measured by macrography. Also, finite element analyses were performed using ABAQUS to investigate the stress state of composite curved beam with respect to pre-load and impact. From the investigation, it was found that pre-load of the composite curved beams had much influence on impact damage of the curved beam, which showed good agreement with the experiment results.
저속충격에 의한 복합재의 파손 모드를 규명하기 위하여 PVDF 센서를 이용한 신호취득 방법과 측정된 PVDF 센서 신호를 시간-주파수 분석법 (time-frequency analysis)인 국소 퓨 리에 변환 및 웨이블렛 변환을 적용하여 분석할 수 있는 실험적 전차에 대하여 고찰하였다. 고분자 암전센서를 이용하여 저속충격시 발생할 수 있는 여러 충격손상 형태 모재균열, 층간분리, 섬유파단에 의한 응력파 측정 가능성을 고찰하기 위하여 일련의 저속충격 시험을 수행하였다. 충격 시험 후, 저속 충격을 받은 적층판에 대하여 C-scan 과 단면 검사를 통하여 센서 신호, 손상 모드 및 크기에 대한 상관관계를 고찰하였다. 센서신호의 취득과 신호분석을 통하여 저속충격의 발생/진행과정을 알 수 있는 많은 중요한 정보가 PVDF 센서신호에도 내재되어 있음을 알 수 있으며 PVDF 센서 신호를 주의 깊게 분석함으로써 저속 충격에 의한 복합재료의 손상 모드 규명이 가능하며 저속충격 위협에 대한 복합재 구조물의 건전성 모니터링에 활용할 수 있는 가능성을 제시하였다.
Recently, carbon fiber reinforced plastic(CFRP) composite materials have been widely used in various fields of engineering because of its advanced properties. Also, CFRP composite materials offer new design flexibilities, corrosion and wear resistance, low thermal conductivity and increased fatigue life. However CFRP composite materials are susceptible to impact damage due to their lack of through-thickness reinforcement and it causes large drops in the load-carrying capacity of a structure. Therefore, the impact damage behavior and subsequently load-carrying capacity of impacted composite materials deserve careful investigation. In this study, the residual strength and impact characteristics of plain-woven CFRP composites with impact damage are investigated under axial tensile test. By using obtained residual strength and Tan-Cheng failure criterion, residual strength of CFRP laminate with arbitrary fiber angle were evaluated.
The concrete structures related to nuclear safety are threatened by accidental impact loadings, mainly including the low-velocity drop-weight impact (e.g., spent fuel cask and assembly, etc. with the velocity less than 20 m/s) and high-speed projectile impact (e.g., steel pipe, valve, turbine bucket, etc. with the velocity higher than 20 m/s), while the existing studies are still limited in the impact resistant design of nuclear power plant (NPP), especially the primary RC slab. This paper aims to propose the numerical simulation and theoretical approaches to assist the impact-resistant design of RC slab in NPP. Firstly, the continuous surface cap (CSC) model parameters for concrete with the compressive strength of 20-70 MPa are fully calibrated and verified, and the refined numerical simulation approach is proposed. Secondly, the two-degree freedom (TDOF) model with considering the mutual effect of flexural and shear resistance of RC slab are developed. Furthermore, based on the low-velocity drop hammer tests and high-speed soft/hard projectile impact tests on RC slabs, the adopted numerical simulation and TDOF model approaches are fully validated by the flexural and punching shear damage, deflection, and impact force time-histories of RC slabs. Finally, as for the two low-velocity impact scenarios, the design procedure of RC slab based on TDOF model is validated and recommended. Meanwhile, as for the four actual high-speed impact scenarios, the impact-resistant design specification in Chinese code NB/T 20012-2019 is evaluated, the over conservation of which is found, and the proposed numerical approach is recommended. The present work could beneficially guide the impact-resistant design and safety assessment of NPPs against the accidental impact loadings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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