• 제목/요약/키워드: Tsai-Wu composite failure criterion

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유한요소법을 이용한 CFRP 자전거 포크의 취약부 탐색 및 안전성 확보 방안 연구 (A Study on Detection of a Critical Spot and the Securing Safety Method of CFRP Bicycle Forks by Finite Element Method)

  • 이수영;이남주;최웅재;김홍석;신기훈;정성균
    • 한국안전학회지
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    • 제31권6호
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    • pp.1-5
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    • 2016
  • A bicycle is one of the most popular sporting goods in view of a sport activity and a human health. Metallic materials such as steel, aluminum, etc. were mainly used to the bicycle fork in the past. Nowadays, the carbon fiber reinforced composite materials are widely used to the manufacturing of a bicycle fork to reduce the weight and to increase the efficiency. Safety is a most important design parameter of a bicycle fork even if the weight and cost reduction are important. Bicycle failure may happen at the critical spot of a bicycle fork and cause the accident. In this paper, the composite bicycle fork will be analyzed to secure the safety and detect a critical spot by using the finite element method with Tsai-Wu failure criterion. The stress data were obtained for the laminated composites with various number of plies and fiber orientation under the bending load. Thus, design concept of a bicycle fork was proposed to secure the safety of a bicycle. The finite element analysis results show that the connection area between a steer tube and a fork blade is critical spot, and 75 or more layers of 0 degree are needed to secure the safety of a bicycle fork.

수지 충전 공정을 이용한 항공기 윈도우 프레임 설계 (Design of an Aircraft Composite Window frame Using VaRTM Process)

  • 김위대;홍대진
    • Composites Research
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    • 제19권6호
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    • pp.1-7
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    • 2006
  • 본 논문은 수지충전공정을 활용한 상업용 항공기의 복합재 윈도우 프레임을 개발하기 위한 선행 연구이다. 윈도우 프레임을 제작하기 위해 고려중인 2종류의 카본 섬유-triaxial overbraid 와 sleeving braider-에 대해서 VaRTM 공정을 활용한 시편을 제작하고, ASTM 시험법에 따라 물성치를 얻기 위해 물리적/기계적 성질 시험이 실시되었다. 이후 복합재 윈도우 프레임의 최소 플라이수와 무게를 얻기 위해 각각의 탄소 섬유에 대하여 유한요소해석이 수행되었다. 본 연구에서는 구조물의 안전성을 평가하기 위하여 Tsai-Wu 파손강도이론을 사용했다.

쾌속조형재료의 강도예측모델 - Fused Deposition Modeling (FDM) (Strength Prediction Model of Rapid Prototyping Parts - Fused Deposition Modeling (FDM))

  • 안성훈;이선영;백창일;추원식
    • Composites Research
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    • 제15권6호
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    • pp.38-43
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    • 2002
  • 쾌속조형(Rapid Prototyping)기술은 다양한 형태치 재료를 사용하여 초기모형을 제작할 수 있다. Stratasys사의 FDM은 플라스틱 재료로 조형물을 제작하는 대표적인 쾌속조형공정이다. 또한 FDM으로 제작된 부품들은 하중을 받는 구조용 재료로도 사용된다. FDM은 약 300$\mu$m 두께의 가는 필라멘트의 형태의 일정한 방향으로 재료를 적층하므로, FDM으로 제작된 부품들은 이방성 재료의 성질을 나타낸다. 본 연구에서는 FDM 부품의 인장강도를 예측하기 위한 해석방법을 제시하고자 한다. 복합재를 위한 Classical Lamination Theory를 사용하여 컴퓨터 코드를 작성하였다. FDM 제품의 파괴를 예측하기 위하여 계산펀드에 Tsai-Wu failure criterion 이론을 도입하였다. 해석방법에 의해 예상되는 인장강도와 실제 실험으로 얼은 수치를 비교하였다. 예상치가 측정치에 근사한 값을 보이므로 본 계산식의 타당성이 입증되었다. 덧붙여서 FDM의 강도계산과 설계규칙이 웹기반의 제안서비스(FDMAS)에서 제공된다.

Fused Deposition Modeling의 강도예측모델과 인터넷 서비스 (Strength Prediction Model and The Internet Service of Fused Deposition Modeling)

  • 백창일;추원식;이선영;안성훈
    • 한국복합재료학회:학술대회논문집
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    • 한국복합재료학회 2002년도 추계학술발표대회 논문집
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    • pp.179-182
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    • 2002
  • Rapid Prototyping (RP) technologies provide the ability to fabricate initial prototypes from various model materials. Stratasys' Fused Deposition Modeling (FDM) is a typical RP process that can fabricate prototypes out of plastic materials, and the parts made from FDM were often used as load-carrying elements. Because FDM deposits materials in about $300\mutextrm{m}$ thin filament with designated orientation, parts made from FDM show anisotropic material properties. This paper proposes an analytic model to predict the tensile strength of FDM parts. Applying the Classical Lamination Theory, which was developed for laminated composite materials, a computer code was implemented. Tsai-Wu failure criterion was added to the code to predict the failure of the FDM parts. The tensile strengths predicted by the analytic model were compared with experimental data. The data and prediction agreed reasonably well to prove the validity of the model. In addition, a web-based advisory service was developed to provide to strength prediction and design rules for FDM parts.

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복합구조물의 파괴에 관한 치수효과의 중요성 (The Importance of Size/Scale Effects in the Failure of Composite Structures)

  • 정영화;김경진;원치문;심도식
    • 산업기술연구
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    • 제15권
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    • pp.217-222
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    • 1995
  • In this paper, the importance of the size effects on the strength ratio is demonstrated by numerical results. The rate of decrease of tensile strength is for glass fiber, based on the experience of a composite manufacturing specialist. For other material, similar procedure may be used until detailed test result on such material is available. The strength criteria used is that of Tsai-Wu for stress space. The factors influencing the ratio are, reducing the tensile strength alone or both tensile and compression strengths, selection of the normalized interaction term, that is, the generalized Von Mises criterion or the Hill's criterion, and the status of applied stresses. Some of the numerical results are presented for a guideline for the furture study.

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복합재료 수소 압력용기의 탄소성 해석 (Elasto-plastic Analysis of a hydrogen pressure vessel of Composite materials)

  • 도기원;한훈희;하성규
    • 대한기계학회:학술대회논문집
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    • 대한기계학회 2008년도 추계학술대회A
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    • pp.275-280
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    • 2008
  • To improve the durability of a hydrogen pressure vessel which is applied high-pressure, it needs the autofrettage process which induces compressive residual stress in the Aluminum liner. This study presents the elasto-plastic analysis to predict the behavior of structure accurately, and the Tsai-Wu failure criterion is applied to predict failure of pressure vessel of Aluminum liner and composite materials. Generally, plastic analysis is more complex than elastic analysis and has much time to predict. To complement its weakness, the AxicomPro(EXCEL program), applied radial return algorithm and nonlinear classical laminate theory (CLT), is developed for predicting results with more simple and accurate than the existing finite element analysis programs.

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A technique for optimally designing fibre-reinforced laminated structures for minimum weight with manufacturing uncertainties accounted for

  • Walker, M.
    • Steel and Composite Structures
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    • 제7권3호
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    • pp.253-262
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    • 2007
  • A methodology to design symmetrically laminated fibre-reinforced structures under transverse loads for minimum weight, with manufacturing uncertainty in the ply angle, is described. The ply angle and the ply thickness are the design variables, and the Tsai-Wu failure criteria is the design constraint implemented. It is assumed that the probability of any tolerance value occurring within the tolerance band, compared with any other, is equal, and thus the approach is a worst-case scenario approach. The finite element method, based on Mindlin plate and shell theory, is implemented, and thus effects like bending-twisting coupling are accounted for. The Golden Section method is used as the search algorithm, but the methodology is flexible enough to allow any appropriate finite element formulation, search algorithm and failure criterion to be substituted. In order to demonstrate the procedure, laminated plates with varying aspect ratios and boundary conditions are optimally designed and compared.

섬유강화복합재료를 사용한 일반용 경량화 자전거 프레임의 최적설계 (Optimization of Lightened Fiber-Reinforced Composite City & Trekking Bicycle Frame)

  • 윤원석;김도형;김학성
    • 대한기계학회논문집A
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    • 제40권2호
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    • pp.147-156
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    • 2016
  • 본 연구에서는 자전거의 경량화를 위해 탄소섬유 복합재료, 유리섬유 복합재료, 케블라섬유 복합재료를 자전거 프레임의 재료로 사용하여 강도 설계 및 최적화를 수행하고 재료 성능을 비교하였다. 이를 위해 유럽표준위원회가 제시하는 자전거 안전사항을 기준으로 복합재료가 가진 이방적 특성을 활용하여 적층각 최적화와 두께 최적화를 수행하였다. 또한, 최적화된 무게, 복합재료의 강도와 비용을 바탕으로 Digital logic 방법으로 재료별 자전거 프레임의 성능을 비교하였으며 이를 통해 섬유강화복합재료를 사용한 자전거 프레임의 구조적 안정성을 확보하며 동시에 경량화를 수행할 수 있었고, 자전거 프레임에 적합한 복합재료를 선별할 수 있었다.

실험계획법을 이용한 풍력발전기용 블레이드의 설계 (Wind Turbine Blade Design using Design of Experiments)

  • 강기원;이승표;장세명;이장호
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • 한국신재생에너지학회 2009년도 추계학술대회 논문집
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    • pp.422-422
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    • 2009
  • This paper describes the structural design of small wind turbine blade by using design of experiments. Blade structure consists of skin, spar and foam. The materials for skin and spar are a kind of Glass/Epoxy and form is polyurethane. It has 7 lay-ups with different ply angle. A factorial design is applied to design the ply angles considering manufacturing constraints and to investigate the safety factor which is calculated by structural analysis. In order to perform the structural analysis, the commercial software ABAQUS is used. Tsai-Wu failure criterion is chosen to compute safety factor. The determination of the significance of effects in the experiments is made through the analysis of variance. The results show that ply angle at skin affects the safety factor of wind turbine blade. And from this result, optimal ply angles of composite blade are achieved.

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단순지지된 샌드위치 슬래브교량의 파괴시 치수효과 (Size Effects in the Failure of Simple Supported Sandwich Slab Bridges)

  • 한봉구;김덕현
    • 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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    • 제14권3호
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    • pp.83-90
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    • 2010
  • 구조물의 해석, 설계, 시공, 품질관리 등을 수립할 때 토목기술자는 경제적이며 효율적인 복합재료를 사용할 수 있다. 거더, 가로보, 콘크리트 상판으로 이루어진 교량시스템은 특별직교이방성 판으로 거동한다. 이러한 경계조건을 갖는 단면을 Navier 해 형태의 해석적 해를 구하기가 매우 어렵다. 복합재료로 이루어진 교량을 설계하기위하여, 단면은 가장 경제적이면서 응력에 유리한 폼코어 형태를 채택하였고, 응력을 산출함에 있어서는 유한차분법 프로그램을 사용하였다. 응력영역은 Tasi-Wu 파괴영역 기준을 이용하였다. 본 논문에서는 치수가 증가됨에 따른 인장강도 감소율을 고려하였다. 또한 이러한 경우에 대한 수치해석을 수행하였다.