Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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1999.11a
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pp.215-218
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1999
A general structural model, which is an extension of the Vlassov theory, is developed for the analysis of composite rotor blades with elastic couplings. A comprehensive analysis applicable to both thick-and thin-walled composite beams, which can have either open- or closed profile is formulated. The theory accounts for the effects of elastic couplings, shell wall thickness, and transverse shear deformations. A semi-complementary energy functional is used to account for the shear stress distribution in the shell wall. The bending and torsion related warpings and the shear correction factors are obtained in closed form as part of the analysis. The resulting first order shear deformation theory describes the beam kinematics in terms of the axial, flap and lag bending, flap and lag shear, torsion and torsion-warping deformations. The theory is validated against experimental results for various cross-section beams with elastic couplings.
Boules, Philopateer F.;Mehanny, Sameh S.F.;Bakhoum, Mourad M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.68
no.1
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pp.67-80
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2018
Recently, U-section decks have been more and more used in metro and light rail bridges as an innovative concept in bridge deck design and a successful alternative to conventional box girders because of their potential advantages. U-section may be viewed as a single vent box girder eliminating the top slab connecting the webs, with the moving vehicles travelling on the lower deck. U-section bridges thus solve many problems like limited vertical clearance underneath the bridge lowest point, besides providing built-in noise barriers. Beam theory in mechanics assumes that plane section remains plane after bending, but it was found that shearing forces produce shear deformations and the plane section does not remain plane. This phenomenon leads to distortion of the cross section. For a box or a U section, this distortion makes the central part of the slab lagging behind those parts closer to the webs and this is known as shear lag effect. A sample real-world double-track U-section metro bridge is modelled in this paper using a commercial finite element analysis program and is analysed under various loading conditions and for different geometric variations. The three-dimensional finite element analysis is used to demonstrate variations in the transverse bending moments in the deck as well as variations in the longitudinal normal stresses induced in the cross section along the U-girder's span thus capturing warping and shear lag effects which are then compared to the stresses calculated using conventional beam theory. This comparison is performed not only to locate the distortion, warping and shear lag effects typically induced in U-section bridges but also to assess the main parameters influencing them the most.
The shear lag has been studied for many years. Nevertheless, existing research gives a variety of stress concentration factors. Unlike the elementary beam theory, the application of load is not unique in reality. For example, concentrated load can be applied as point load or distributed load along the height of the web. This non-uniqueness may be a reason for the discrepancy of the stress concentration factors in the existing studies. The finite element method has been often employed for studying the effect of the shear lag. However, not many researches have taken into account the influence of the finite element mesh on the shear lag phenomenon, although stress concentration can be quite sensitive to the mesh employed in the finite element analysis. This may be another source for the discrepancy of the stress concentration factors. It also needs to be noted that much less studies seem to have been conducted for the shear lag effect on deflection while some design codes have formulas. The present study investigates the shear lag effect in a simply supported box girder by the three-dimensional finite element method using shell elements. The whole girder is modeled by shell elements, and extensive parametric study with respect to the geometry of a box girder is carried out. Not only stress concentration but also deflection is computed. The effect of the way load is applied and the dependency of finite element mesh on the shear lag are carefully treated. Based on the numerical results thus obtained, empirical formulas are proposed to compute stress concentration and deflection that includes the shear lag effect.
The classical theory of thin-walled members is unable to reflect the shear lag phenomenon since it is based on the assumption of no shearing strains in the middle surface of the walls. In this paper, an energy equation for the lateral buckling of thin-walled members has been derived which includes the effects of torsion, warping and, especially, the shearing strains which reflect the shear lag phenomenon. A numerical analysis for the lateral buckling of thin-walled members with openings by using Galerkin's method of weighted residuals has been presented. The proposed numerical values and the predictions by experiment for the lateral buckling loads are to agree closely in the paper. The results from these comparisons show that the proposed method here is capable of predicting the lateral buckling of thin-walled members with openings. The fast convergence of the results indicates the numerical stability of the method. By the study, a very complex practical eigenvalue problem is transformed into a very simple one of solving only a linear equation with one variable.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.23
no.6
s.165
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pp.1001-1010
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1999
Thermo-mechanical behavior of discontinuous shape memory alloy(SMA) reinforced polymeric composite has been studied using modified shear lag theory and finite element(FE) analysis with 2-D multi-fiber model. The aligned and staggered models of short-fiber arrangement are employed. The effects of fiber overlap and aspect ratio on the thermomechanical responses such as the thermal expansion coefficient are investigated. It is found that the increase of both tensile stress(resistance stress) in SMA fiber and compressive stress in polymer matrix with increasing aspect ratio is the main cause of low thermal deformation of the composite.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.13
no.4
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pp.73-78
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2004
The conventional SLT(Shear Lag Theory) which has been proven that it can not provide sufficiently accurate strengthening predictions in elastic regime when the fiber aspect ratio is small. This paper is an extented work to improve it by modifying the load transfer mechanism called NSLT(New Shear Lag Theory), which takes into account the stress transfer across the fiber ends and the SCF(Stress Concentration Factor) that exists in the matrix regions near the fiber ends. The key point of the model development is to determine the major controlling factor among the material and geometrical coefficients. It is found that the most affecting factor is the fiber/matrix elastic modulus ratio. It is also found that the proposed model gives a good result that has the capability to correctly predict the elastic properties such as interfacial shear stresses and local stress variations in the small fiber aspect ratio regime.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.2
s.233
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pp.318-324
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2005
Theoretical efforts are performed to extend the formulation of NSLT(New Shear Lag Theory) for the prediction of the elastic modulus in short fiber composite. The formulation is based on the elastic stress transfer considering the stress concentration effects influenced by elastic modulus ratio between fiber and matrix. The composite modulus, thus far, is calculated by changing the fiber aspect ratio and volume fraction. It is found that the comparison with FEA(Finite Element Analysis) results gives a good agreement with the present theory (NSLT). It is also found that the NSLT is more accurate than the SLT(Shear Lag Theory) in short fiber regime when compared by FEA results. However, The modulus predicted by NSLT becomes similar values that of SLT when the fiber aspect ratio increases. Finally, It is shown that the present model has the capability to predict the composite modulus correctly in elastic regime.
In this paper, the problem of interfacial stresses in steel cantilever beams strengthened with bonded composite laminates is analyzed using linear elastic theory. The analysis is based on the deformation compatibility approach, where both the shear and normal stresses are assumed to be invariant across the adhesive layer thickness. The original study in this paper carried out an analytical solution to estimate shear and peel-off stresses, as, interfacial stress analysis concentration under the uniformly distributed load and shear lag deformation. The theoretical prediction is compared with authors solutions from numerous researches. This phenomenon of deformation of the members, which gives probably approach on the study of interface of the reinforced structures, is called "shear lag effect". The resolution in this paper shows that the shear stress and the normal stress are significant and, are concentrated at the end of the composite plate of reinforcement, called "edge effect". A parametric study is carried out to show the effects of the variables of design and the physical properties of materials. This research is helpful for the understanding on mechanical behaviour of the interface and design of such structures.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.11a
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pp.161-164
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2000
In this paper, a finite element structural analysis for thin-walled open-section composite beams with elastic couplings has been performed. The analysis includes the effects of transverse shear across beam sections, torsion warping and constrained warping. Reissner's semi-complementary energy functional is used to obtain the beam st illness coefficients The bending and torsion related warpings and the shear correct ion factors are obtained as part of the analysis. The resulting theory describes the beam kinematics in terms of the axial, flap and lag bending, flap and lag shear, torsion and torsion-warping deformations. The static response has been validated against finite element predict ions, closed form solutions, and experimental data for rectangular sol id and I-beams with elastic couplings. The free vibration results are also compared with available literature.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.12
no.4
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pp.63-69
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2003
In discontinuous composite mechanics, shear lag theory is one of the most popular model because of its simplicity and accuracy. However, it does not provide sufficiently accurate strengthening predictions in elastic regime then the fiber aspect ratio is small. This is due to its neglect of stress transfer across the fiber ends and the stress concentrations that exist in the matrix regions near the fiber ends. To overcome this shortcoming, a more simplified shear lag model introducing the stress concentration factor which is a function of several variables, such as the modulus ratio, the fiber volume fraction, the fiber aspect ratio, is proposed. It is found that the modulus ratio($E_f$/$E_m$) is the essential variable among them. Thus, the stress concentration factor is expressed as a function of modulus ratio in the derivation. It is found that the proposed model gives a good agreement with finite element results and has the capability to correctly predict the values of interfacial shear stresses and local stress variations in the small fiber aspect ratio regime.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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