Ultra-lightweight cement composite (ULCC) with a compressive strength of 60 MPa and density of $1,450kg/m^3$ has been developed and used in the steel-concrete-steel (SCS) sandwich structures. This paper investigates the structural performances of SCS sandwich composite beams with ULCC as filled material. Overlapped headed shear studs were used to provide shear and tensile bond between the face plate and the lightweight core. Three-dimensional nonlinear finite element (FE) model was developed for the ultimate strength analysis of such SCS sandwich composite beams. The accuracy of the FE analysis was established by comparing the predicted results with the quasi-static tests on the SCS sandwich beams. The FE model was also applied to the nonlinear analysis on curved SCS sandwich beam and shells and the SCS sandwich beams with J-hook connectors and different concrete core including ULCC, lightweight concrete (LWC) and normal weight concrete (NWC). Validations were also carried out to check the accuracy of the FE analysis on the SCS sandwich beams with J-hook connectors and curved SCS sandwich structure. Finally, recommended FE analysis procedures were given.
Elastic bending of imperfect functionally graded sandwich plates (FGSPs) laying on the Winkler-Pasternak foundation and subjected to sinusoidal loads is analyzed. The analyses have been established using the quasi-3D sinusoidal shear deformation model. In this theory, the number of unknowns is condensed to only five unknowns using integral-undefined terms without requiring any correction shear factor. Moreover, the current constituent material properties of the middle layer is considered homogeneous and isotropic. But those of the top and bottom face sheets of the graded porous sandwich plate (FGSP) are supposed to vary regularly and continuously in the direction of thickness according to the trigonometric volume fraction's model. The corresponding equilibrium equations of FGSPs with simply supported edges are derived via the static version of the Hamilton's principle. The differential equations of the system are resolved via Navier's method for various schemes of FGSPs. The current study examine the impact of the material index, porosity, side-to-thickness ratio, aspect ratio, and the Winkler-Pasternak foundation on the displacements, axial and shear stresses of the sandwich structure.
In this study, ultimate strength characteristics of clamped sandwich panels with metal faces and an elastic isotropic core under combined in-plane compression and lateral pressure loads are investigated to verify the applicability of the ultimate strength design formula for ship structures. Alternative elastomer-cored steel sandwich panels are selected instead of the conventional bottom stiffened panels for a Suezmax-class tanker and then the ultimate strength characteristics of the selected sandwich panels are examined by using nonlinear finite element analysis. The change in the ultimate strength characteristics due to the change in the thickness of the face plate and core as well as the amplitude of lateral pressure are summarized and compared with the results obtained by using the ultimate strength design formula and nonlinear finite element analysis. The insights and conclusions developed in the present study will be useful for the design and development of applications for sandwich panels in double hull tanker structures.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.21
no.4
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pp.547-555
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2012
This paper focuses on the research of the anode and cathode in the Ni-MH secondary battery. In this paper, the proposed method employs a continuous wave Nd : YAG laser based on the pure Ni instead of the low carbon steel to improve the conductivity although the conventional secondary battery is based on the resistance spot welded with low carbon steel SS41. It welds a sandwich panel using the pure Ni and the porous thin plate, and the tested optimal conditions for the laser power and irradiation speed were 300 and 350 Watt, and 1.0~1.6m/min, respectively. Finally, we observed a ratio, heat input and cross-section and measured the conductivity of the welding section to test the weldability.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.6
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pp.715-726
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2010
In this paper, a comparative study of metallic and non-metallic stiffened plates under a lateral pressure load is performed using conventional statistically determinate and SQP(Sequential Quadratic Programming) optimisation approaches. Initially, a metallic flat-bar stiffened plate is exemplified from the superstructure of a marine vessel and, subsequently, its structural topology is varied as hat-section stiffened FRP(Fibre Reinforced Plastics) single skin plates and monocoque FRP sandwich plates having a PVC foam core. These proposed structural alternatives are analysed using elastic closed-form solutions and SQP optimisation method under stress and deflection limits obtained from practice to calculate and optimise geometry dimensions and weights. Results obtained from the comparative study provide useful information for marine designers especially at the preliminary design stage where various building materials and structural configurations are dealt with.
This paper presents a theoretic model of a smart structure, a transversely isotropic piezoelectric thick square plate constructed with three laminas, piezoelectric-elastic-piezoelectric layer, by adopting the first order shear deformation plate theory and piezoelectric theory. This model assumes that the transverse displacements through thickness are linear, and the in-plane displacements in the mid-plane of the plate are not taken to be account. By using Fourier's series expansion, an exact Navier typed analytical solution for deflection and electric potential of the simply supported smart plate is obtained. The electric boundary conditions are being grounded along four vertical edges. The external voltage and non-external voltage applied on the surfaces of piezoelectric layers are all considered. The convergence of the present approach is carefully studied. Comparison studies are also made for verifying the accuracy and the applicability of the present method. Then some new results of the electric potentials and displacements are provided. Numerical results show that the electrostatic voltage is approximately linear in the thickness direction, while parabolic in the plate in-plane directions, for both the deflection and the electric voltage. These results are very useful for distributed sensing and finite element verification.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.23
no.8
s.185
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pp.127-136
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2006
Metallic sandwich plates with inner dimpled shell subject to 3-point bending have been analyzed and then optimized for minimum weight. Inner dimpled shells can be easily fabricated by press or roll with high precision and bonded with same material skin sheets by resistance welding or adhesive bonding. Metallic sandwich plates with inner dimpled shell structure can be optimally designed for minimum weight subject to prescribed combination of bending and transverse shear loads. Fundamental findings for lightweight design are presented through constrained optimization. Failure responses of sandwich plates are predicted and formulated with an assumption of narrow sandwich beam theory. Failure is attributed to four kinds of mechanisms: face yielding, face buckling, dimple buckling and dimple collapse. Optimized shape of inner dimpled shell structure is a hemispherical shell to minimize weight without failure. It is demonstrated that bending stiffness of sandwich plate is 2 or 3 times larger than solid plates with the same strength. Failure mode boundaries and iso-strength lines dependent upon the geometry and yield strain of the material are plotted with respect to geometric parameters on the failure map. Because optimal parameters of maximum strength for given material weight can be selected from the map, analytic solutions for maximum strength are expressed as a function of only material property and proposed strength. These optimal parameters match well with numerical optimal parameters.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.2
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pp.245-256
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2014
I-core sandwich panel that has been used more widely is assembled using high power $CO_2$ laser welding. Kim et al. (2013) proposed a circular cone type heat source model for the T-joint laser welding between face plate and core. It can cover the negative defocus which is commonly adopted in T-joint laser welding to provide deeper penetration. In part I, a volumetric heat source model is proposed and it is verified thorough a comparison of melting zone on the cross section with experiment results. The proposed model can be used for heat transfer analysis and thermal elasto-plastic analysis to predict welding deformation that occurs during laser welding. In terms of computational time, since the thermal elasto-plastic analysis using 3D solid elements is quite time consuming, shell element model with multi-layers have been employed instead. However, the conventional layered approach is not appropriate for the application of heat load at T-Joint. This paper, Part II, suggests a new method to arrange different number of layers for face plate and core in order to impose heat load only to the face plate.
The piezoelectric transverse $d_{15}$ shear sensing mechanism is firstly assessed experimentally for a cantilever smart sandwich plate made of a piezoceramic axially poled patched core and glass fiber reinforced polymer composite faces. Different electrical connections are tested for the assessment of the sensor performance under a varying amplitude harmonic (at 24 Hz) force. Also, the dynamic response of the smart sandwich composite structure is monitored using different acquisition devices. The obtained experimentally sensed voltages are compared to those resulting from the benchmark three-dimensional piezoelectric coupled finite element simulations using a commercial code where realistic features, like equipotential conditions on the patches' electrodes and mechanical updating of the clamp, are considered. Numerically, it is found that the stiffness of the clamp, which is much softer than the ideal one, has an enormous influence on the sensed voltage of its adjacent patch; therefore, sensing with the patch on the free side would be more advantageous for a cantilever configuration. Apart from confirming the latter result, the plate benchmark experimental assessment showed that the parallel connection of its two oppositely poled patches has a moderate performance but better than the clamp side patch acting as an individual sensor.
International Journal of Aerospace System Engineering
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v.3
no.1
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pp.10-16
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2016
A trigonometric Layerwise higher order shear deformation theory (TLHSDT) is developed and implemented for free vibration and buckling analysis of laminated composite and sandwich plates by analytical and finite element formulation. The present model assumes parabolic variation of out-plane stresses through the depth of the plate and also accomplish the zero transverse shear stresses over the surface of the plate. Thus a need of shear correction factor is obviated. The present zigzag model able to meet the transverse shear stress continuity and zigzag form of in-plane displacement continuity at the plate interfaces. Hence, botheration of shear correction coefficient is neglected. In the case of analytical method, the governing differential equation and boundary conditions are obtained from the principle of virtual work. For the finite element formulation, an efficient eight noded $C^0$ continuous isoparametric serendipity element is established and employed to examine the dynamic analysis. Like FSDT, the considered mathematical model possesses similar number of variables and which decides the present models computationally more effective. Several numerical predictions are carried out and results are compared with those of other existing numerical approaches.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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