Kim, Do-Won;Jeong, Gyu;Lim, Jae Hyuk;Lim, Jun-Woo;Yu, Byeong-Min;Lee, Kil-Sung
Journal of Aerospace System Engineering
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v.12
no.2
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pp.66-75
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2018
In this paper, a lightweight design of the spar cap of 2MW wind turbine blade was carried out using the ply reduction ratio (PRR) and CFRP with a trade-off study. The spar cap is one of the most critical factor in determining the mechanical performance of the blade. Tsai-Wu and Puck fracture theory were used to determine the fracture. As a result, the CFRP composite material could be lighter in terms of weight by about 30% than GFRP composite material under the same conditions. Based on the analytical results, we derive the optimal value of the laminate thickness of the composite material and present the structural performance improvement and the lightweight design result.
This paper addresses the stress analysis and design of composite double lead spiral which is boarded in 20mm universal ammunition drum by finite element method. The spiral system is very important to transfer the ammunition in stable and reliable manners for aircraft. Some verifications are done to check the possibility of composite application in spiral system. The design variables, stacking sequence and fiber orientation angles, are investigated for reliable design for practical design. The Tsai-Wu failure theory is applied to see the safety of the spiral structure. The design result is suggested to manufacture the double lead spiral part.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.45
no.12
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pp.1013-1020
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2017
In this study, the failure prediction of composite laminates under flexural loading is investigated. A FEA(finite element analysis) using 2D strain-based interactive failure theory. A pregressive failure analysis was applied to FEA for stiffness degradation with failure mode each layer. A three-point bending test based on the ASTM D790 are performed for cross-ply $[0/90]_8$ and quasi-isotropic $[0/{\pm}45/90]_{2s}$ laminated composites. The accuracy of the applied failure theory is verified with the experimental results and other failure criteria such as maximum strain, maximum stress and Tsai-Wu theories.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.3
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pp.219-226
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2005
In this study, the problem formulation and solution technique using genetic algorithms for design optimization of laminate composite cylindrical beam section are presented. The hollow cylindrical beams we usually used in the wheel chair. If the weight of wheel chair is reduced, it will lead to huge improvement in passenger's mobility and comfort. In this context, the replacement of steel by high performance and light weight composite material along with optimal design will be a good contribution in the process of weight reduction of a wheel chair. An artificial genetics approach for the design optimization of hollow cylindrical composite beam is presented. On applying the genetic algorithm, the optimal dimensions of hollow cylindrical composite beams which have equivalent rigidities to those of corresponding hollow cylindrical steel beams are obtained. Also structural analysis is conducted on the entire wheel chair structure incorporating Tsai-Wu failure criteria. The maximum Tsai-Wu failure criteria index is $0.192\times10^{-3}$ which is moth less than value of 1.00 indicating no failure is observed under excessive loading condition. It is found that the substitution of steel by composite material could reduce the weight of wheel chair up to 45%.
The strength design for the lightweight bicycle wheel made of the Carbon/Epoxy composite laminates has been discussed in this paper. For bicycle wheel design, lightness of the wheel is important. Also, it has to satisfy the required strength under specific loading cases. Two testing methods for the bicycle wheel, i.e. vertical and complex loadings, are adopted in this study. Because the strengths of composite wheel is different in relation to the stacking sequence and the number of plies, it is important to decide an appropriate stacking sequence and number of layers for the composite wheel. From the finite element analysis results, the most stable sequence orientation and number of layers are determined. The stacking sequence $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ (n=1,2,3,4)are performed for finite element analysis. From results, $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ lay-up is a good selection for the composite bicycle wheel. Also, the weakest point and layer are found in this study.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.45
no.1
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pp.21-29
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2017
In this paper, the total procedure for composite laminate mechanical joint (ASTM D5961 Proc. A, B) from fixture design to test analysis was showed. Composite laminate mechanical joints were analyzed using the FEM(Finite Element Method) and compared to test results. A progressive failure analysis was applied to FEM to analyze the failure behavior of test specimens. Three failure theories - maximum stress, maximum strain, and Tsai-Wu were applied to FEM to predict test failure load. General parameters for composite laminate joints were reviewed and the differences of bearing strength were compared with major parameters.
Generally, joints are the weakest part in the composite structures. Composite joints can be classified into adhesive joints and mechanical joints, and mechanical joints are mainly used in areas less sensitive to environmental conditions. In this paper, the failure loads of composite mechanical joints with five different stacking angles are tested and predicted. Finite element analysis of mechanical joints were performed and failure loads were predicted by the FAI(Failure Area Index) method using Tsai-Wu and Yamada-Sun failure criteria, and the predicted failure loads were compared with experimental results. From the experiment and analysis, the failure loads of the mechanical joints were decreased as the ratio of 0 degree layer was low and they could be predicted within 13.03% using the FAI method and Yamada-Sun failure criteria.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.2
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pp.265-270
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2013
Strength design for a lightweight bicycle frame made of carbon/epoxy composite laminates was studied using Tsai-Wu's failure criterion. For the design of bicycle frames, reducing the weight of the frame is of great importance. Furthermore, the frame should satisfy the required strength under specific loading cases. In accordance with the European EN 14764 standard for bicycle frames, three loading cases-pedaling, vertical, and level loadings-were investigated in this study. Because of the anisotropic characteristics of composite materials, it is important to decide the appropriate stacking sequence and the number of layers to be used in the composite bicycle frame. From finite element analysis results, the most suitable stacking sequence of the fiber orientation and the number of layers were determined. The stacking sequences of $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ (n = 1, 2, 3, 4) were used in the analysis. The results indicated that the $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ lay-up model was suitable for a composite bicycle frame. Furthermore, the weakest point and layer were investigated.
This paper predicted the strength of mechanical joint of composites under bending load by means of the characteristic curve method. The method has been employed only for tensile and compression load conditions, but in this study, this method was extended to the bending load condition. For the finite element analysis (FEA), the nonlinear analysis was conducted considering the contact and friction effects between composite material and pin. The failure strength and mode on characteristic curve were evaluate with Tsai-Wu failure theory. To validate the results of FEA, the experiments were conducted to find out the failure load by applying bending moment on the composite specimens. The results showed reasonable agreements with theoretical results. These results lead to a conclusion that the characteristic curve method can be applied to predict the bending strength of mechanical joint of composites.
This is the preliminary study to develop composite window frame of commercial aircraft using VaRTM process. For two candidate carbon fabrics(triaxial overbraid, sleeving braider), specimens were fabricated using VaRTM process, and the physical & mechanical property tests were performed to obtain the material properties according to ASTM. FEM analysis for each candidate carbon fabric was performed to find the minimum number of plies and weight for composite window frame to satisfy the design requirements. In this study, Tsai-Wu strength failure criterion was used to evaluate the safety of structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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