Im, Kwang-Hee;David K. Hsu;Song, Sung-Jin;Park, Je-Woung;Sim, Jae-Ki;Yang, In-Young
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.18
no.1
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pp.65-73
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2004
Composites are a material class for which nondestructive material property characterization is as important as flaw detection. Laminates of fiber reinforced composites often possess strong in-plane elastic anisotropy attributable to the specific fiber orientation and layup sequence when waves are propagating in the thickness direction of composite laminates. So the layup orientation greatly influences its properties in a composite laminate. It could result in the part being .ejected and discarded if the layup orientation of a ply is misaligned. A nondestructive technique would be very beneficial, which could be used to test the part after curing and requires less time than the optical test. Therefore a ply-by-ply vector decomposition model has been developed, simplified, and implemented for composite laminates fabricated from unidirectional plies. This model decomposes the transmission of a linearly polarized ultrasound wave into orthogonal components through each ply of a laminate. Also in order to develop these methods into practical inspection tools, motorized system have been developed for different measurement modalities for acquiring ultrasonic signals as a function of in-plane angle. It is found that high probability shows between the model and tests developed in characterizing cured layups of the laminates.
Bonded composite-patch repair has been widely used to restore or extend the service life of damaged structures due to its effectiveness as a mechanical repair technique. In this paper using extended finite element method (XFEM), three-dimensional crack models are developed to examine the fracture behavior of centrally cracked aluminum plates repaired with single and double sided composite patches. Stress intensity factor (SIF) at the crack tip is used as the fracture criterion. In this regard, the effects of the crack lengths, patch materials, orientation of plies, adhesive and patch thickness are examined to estimate the SIF of the repaired plate and the repair performance. The obtained results show that composite patches have significant effect on reduction of the SIF at the crack tip. It is also proved that using double symmetric repair, in comparison to single one, reduces considerably SIF at the crack tip. Hence, the residual strength can be improved significantly as well as fatigue life of the structure. Investigation of ply orientation effects shows SIF increase as the ply orientation is changed from $0^{\circ}$ (perpendicular to the advancing crack) to $90^{\circ}$ (parallel to the crack line). However, the effectiveness of the ply orientation depends on the loading direction and the crack direction.
In the study, investigation of fiber- reinforced composite materials that can be an alternative to conventional steel was performed by finite element analysis with the help of software. Steel and composite materials have been studied on a four axle truck chassis model. Three-dimensional finite element model was created with software, and then analyzes were performed. The analyses were performed for static and dynamic/fatigue cases. Fatigue cases are formed with the help of design spectra model and fatigue analyses were performed as static analyses with this design spectra. First, analyses were performed for steel and after that optimization analyses were made for the AS4-PEEK carbon fiber composite and Eglass-Epoxy fiber composite materials. Optimization of composite material analyzes include determining the total laminate thickness, thickness of each ply, orientation of each ply and ply stacking sequence. Analyzes were made according to macro mechanical properties of composite, micromechanics case has not been considered. Improvements in weight reduction up to %50 provided at the end of the composite optimization analyzes with satisfying stiffness performance of chassis. Fatigue strength of the composite structure depends on various factors such as, fiber orientation, ply thickness, ply stack sequence, fiber ductility, ductility of the matrix, loading angle. Therefore, the accuracy of theoretical calculations and analyzes should be correlated by testing.
This study, a new concept design of the stem and aims to determine the suitability of various carbon/PEEK composite designs for artificial hip joints. Shear stress tested with alternative materials of the Ti-based stem for artificial hip joints. In addition, FEA is conducted according to the fiber ply orientation and the load condition for carbon/PEEK composites. The stem shape of two types was designed through the shape normal of the femur. Multidirectional load cases were used for each FEA model. In the case of general shape, the results show that the stress of ply orientation case II was lower than for cases I and III. On the other hand, in the case of the curved shape, ply orientation case I was lowest. In the case of the Ti stem, the stress of the curved shape was 18% lower than the general shape.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.65-68
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2001
In this research, damage initiation in singly oriented ply (SOP) FML under concentrated loading conditions was studied. The finite element method (FEM) base on the first order shear deformation theory is used for the analysis of fiber orientation effect on FML under concentrated loading conditions. The failure indices were calculated for the variation of fiber orientation and the results were compared with indentation experiments. The failure indices were well matched with damage initiation of SOP FML. Indentation results shows that the crack initiation of SOP FML is determined by stiffness induced by fiber orientation and tile penetration load of SOP FML are influenced by the deformation tendency and boundary conditions.
In the present study, the combined effects of thermal and mechanical loadings on the interlaminar shear stresses of both moderately thin and thick composite laminated beams are numerically analyzed. The finite element modelling of laminated composite beams and analysis of interlaminar stresses are performed using the commercially available software package MSC NASTRAN/PATRAN. The validity of the finite element analysis (FEA) is demonstrated by comparing the experimental test results obtained due to mechanical loadings under the influence of thermal environment with those derived using the present FEA. Various parametric studies are also performed to investigate the effect of thermal loading on interlaminar stresses generated in symmetric, anti-symmetric, asymmetric, unidirectional, cross-ply, and balanced composite laminated beams of different stacking sequences with identical mechanical loadings and various boundary conditions. It is shown that the elevated thermal environment lead to higher interlaminar shear stresses varying with the stacking sequence, length to thickness ratio, ply orientations under identical mechanical loading and boundary conditions of the composite laminated beams. It is realized that the magnitude of the interlaminar stresses along xz plane is always much higher than those of along yz plane irrespective of the ply-orientation, length to thickness ratios and boundary conditions of the composite laminated beams. It is also observed that the effect of thermal environment on the interlaminar shear stresses in carbon-epoxy fiber reinforced composite laminated beams are increasing in the order of symmetric cross-ply laminate, unidirectional laminate, asymmetric cross-ply laminate and anti-symmetric laminate. The interlaminar shear stresses are higher in thinner composite laminated beams compared to that in thicker composite laminated beams under all environmental temperatures irrespective of the laminate stacking sequence, ply-orientation and boundary conditions.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.10
no.4
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pp.149-157
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2002
This paper is to investigate collapse mechanisms of CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)composite tubes and to evaluate collapse characteristics on the change of interlaiminar number and ply orientation angle of outer under static and impact axial compression loads. When a CFRP composite tube is crushed, static/impact energy is consumed by friction between the loading plate and the splayed fronds of the tube, by fracture of the fibers, matrix and their interface. These are associated with the energy absorption capability. In general, CFRP tube with 6 interlaminar number(C-type), absorbed more energy than other tubes(A, B, D-types). The maximum collapse load seemed to increase as the interlaminar number of such tubes increases. The collapse mode depended upon orientation angle of outer of CFRP tubes and loading status(static/impact). Typical collapse modes of CFRP tubes are wedge collapse mode, splaying collapse mode and fragmentation collapse mode. The wedge collapse mode was shown in case of CFRP tubes with 0° orientation angle of outer under static and impact loadings. The splaying collapse mode was shown in only case of CFRP tubes with 90°orientation angle of outer under static loadings, however in Impact tests those were collapsed in fragmentation mode .
Kim, Young-Nam;Hwang, Jae-Jung;Baek, Kyung-Yun;Cha, Cheon-Seok;Yang, In-Young
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.17
no.1
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pp.48-56
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2003
This paper investigates the collapse characteristics of CF/Epoxy composite tubes subjected to axial loads as changing interlaminar number and outer ply orientation angle. The tubes are aften used for automobiles, aerospace vehicles, trains, ships, and elevators. We have performed static and dynamic impact collapse tests by a way of building impact test machine with vertical air compression. It is fanad that CF/Epoxy tube of the 6 interlaminar number (C-type) with 90$^{\circ}$ outer orientation angle and trigger absorbed more energy than the other tubes (A. B and D-types). Also collapse mode depended upon outer orientation angle of CF/Epoxy tubes and loading type as well; typical collapse modes of CF/Epoxy tubes are wedged, splayed and fragmentcl.
In this study, the effect of Carbon/PEEK composites on the tribological properties has been investigated. Also, its validity has been tested in the capacity of alternative materials of the Ti-based materials used for artificial hip joint. Moreover, this work evaluated the mechanical properties according to the fiber ply orientation, along with the fractured surfaces of the carbon/PEEK composites. The composites with a unidirectional orientation had higher tribological properties than those with a multidirectional orientation. This was caused by the debonding between the carbon fiber and the PEEK, which was proportional to the contact area between the sliding surface and the carbon fiber. The friction test results showed that there were no significant differences in relation to the fiber ply orientation. However, the friction properties of the carbon/PEEK composites were higher than those of the carbon/epoxy composites. In addition, the results showed that a composite that slid in a direction normal to the prepreg lay-up direction had a smaller friction coefficient than one that slid in a direction parallel to the prepreg lay-up direction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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