International Journal of Aerospace System Engineering
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v.7
no.1
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pp.7-15
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2020
In this paper the crack growth, modeling, and simulation of the stiffened and un-stiffened cracked panels presented using commercially available finite element software packages. Computation of stresses and convergence of stress intensity factor for single edge notch (SEN) specimens carried out using the finite element method (FEM) and extended finite element method (XFEM) and compared with an analytical solution. XFEM techniques like cohesive segment method and LEFM using virtual crack closure technique (VCCT), used for crack growth analysis and presented results for un-stiffened and stiffened panels considering various crack domain. The non-linear analysis considering both geometric and material non-linearity on stiffened panels with various stringers like a blade, L, inverted T and Z sections the results were presented. Arrived at the optimum stringer section type for the considered panel under axial loading from the numerical analysis.
In order to find out a physical quantity which controls the fatigue life of a structure and to predict the fatigue life of tires, a finite element simulation methodology to use the cracking energy density (CED) and the virtual crack closure technique (VCCT) was proposed and applied to three different tires of a similar size. CED was calculated to predict the location of a crack initiation, and VCCT was used to obtain the strain energy release rate (SERR) at the tip of an initiated crack. Finite element simulations showed that SERR oscillated in the circumferential direction with its minimum occurring just before the contact zone and its maximum occurring just after the center of the contact zone, and SERR was affected significantly by the frictional force acting on the crack surface. In addition, a durability test was conducted to measure the fatigue life of the three tires. The comparison of SERR values with the test data revealed that the fatigue life increased as the amplitude of SERR decreased or as the R-ratio of SERR increased.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.1A
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pp.11-18
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2012
This paper deals with the numerical determination of the stress intensity factors of cracked aluminum plates under the mixed mode of $K_I$ and $K_{II}$ in glass-epoxy fiber reinforced composites. For the stress intensity factors, two different models are reviewed such as VCCT and two-step extension method. The p-convergent partial layerwise model is adopted to determine the fracture parameters in terms of energy release rates and stress intensity factors. The p-convergent approach is based on the concept of subparametric element. In assumed displacement field, strain-displacement relations and 3-D constitutive equations of a layer are obtained by combination of 2-D and 1-D higher-order shape functions. In the elements, Lobatto shape functions and Gauss-Lobatto technique are employed to interpolate displacement fields and to implement numerical quadrature. Using the models and techniques considered, effects of composite laminate configuration according to inclined angles and adhesive properties on the performance of bonded composite patch are investigated. In addition to these, the out-of-plane bending effect has been investigated across the thickness of patch repaired laminate plates due to the change of neutral axis. The present model provides accuracy and simplicity in terms of stress intensity factors, stress distribution, number of degrees of freedom, and energy release rates as compared with previous works in literatures.
Panda, Subhransu K;Mishra, Pradeep K;Panda, Subrata K
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.6
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pp.723-735
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2020
This study is reported the adhesion failure in adhesive bonded composite and specifically for the T-joint structure. Three-dimensional finite element analysis has been performed using a commercial tool and the necessary outcomes are obtained via an eight noded solid element (Solid 185-element) from the library of ANSYS. The structural analysis input has been incurred through ANSYS parametric design language (APDL) code. The normal and shear stress distributions along different layers of the joint structure have been evaluated as the final outcomes. Based on the stress distributions, failure location in the composite joint structure has been identified by using the Tsai-Wu stress failure criterion. It has been found that the failure index is maximum at the interface between flange and web part of the joint (top layer) which indicates the probable location of failure initiation. This kind of failures are considered as adhesion failure and the failure propagation is governed by strain energy release rate (SERR) of fracture mechanics. The different adhesion failure lengths are also considered at the failure location to calculate the SERR values i.e. mode I fracture (opening), mode II fracture (sliding) and mode III fracture (tearing) along the failure front. Also, virtual crack closure technique (VCCT) principle of fracture mechanics steps is used to calculate the above said SERRs. It is found that the mode I SERR is more dominating compared to other two modes of failure for the joint considered. Finally, the influences of various parametric (geometrical and material) effect on SERR of the joint structure are evaluated and discussed in details.
Prediction of the load-bearing capacity of an adhesive-bonded Joint is of practical importance for engineers. This paper introduces interface fracture mechanics approach to predict the load-bearing capacity of composite metal bonded joints. The adhesion strength of composite/steel bonding is evaluated in terms of the energy release rate of an interfacial crack and the fracture toughness of the interface. Virtual track closure technique (VCCT) is used to calculate energy release rates, and hi-material end-notched flexure (ENF) specimens are devised to measure the interfacial fracture toughness. Bi-material ENF specimens gave consistent mode II fracture toughness $(G_{IIc})$ values of the composite/steel interface regardless of the thickness of specimens. The critical energy release rates of double-lap joints showed a good agreement with the measured fracture toughness. Therefore. the energy-based interfacial fracture characterization can be a practical engineering tool for predicting the load-bearing capacity of bonded joints.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2010.04a
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pp.314-317
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2010
본 논문에서는 p-수렴 천이요소의 층별이론을 사용하여 균열을 갖는 적층판의 팻취보강 효과에 대해 알아보았다. 이 모델의 면내 변위는 각 구간별로 연속인 선형변화로 가정하였고, 두께방향으로의 면외 변위는 일정한 상수로 가정하여 적용하였다. 변위장의 정의는 적분형 르장드로 다항식을 적용하였다. 또한 에너지 방출률법과 VCCT 방법을 사용하여 응력확대계수를 산출하였다. 수치적분은 별도의 외삽법 없이 각층별의 절점에서 방생하는 적분 값을 바로 얻을 수 있는 가우스-로바토 적분법을 사용하여 계산하였으며, 수치예제를 통해 제안된 모델의 정확도와 기존의 3차원 고체요소를 사용한 것보다 동일한 정확도를 얻기 위해 휠씬 적은 요소 및 자유도가 사용됨을 알 수 있었다.
The experimental and numerical investigations on the failure characteristics of the secondary bonded composite single-lap joints were performed. The initiations and growths of cracks were observed using CCD camera and acoustic emission sensor during the tension tests of the joint specimens. The structural behaviors of the specimens were predicted by the geometric nonlinear two-dimensional finite element analysis. The three types of observed initial cracks were included in each finite element models and the strain energy release rates of each specimen models were calculated by VCCT(Virtual Crack Closure Technique) technique. The tension tests showed that the initial cracks occurred in the 60∼90% of final failure loads and the major failure modes of the specimens were adhesive failure and the delamination between the 1st and 2nd ply of laminate. The specimens with the thicker bondline had earlier crack initiation loads but higher crack propagation resistance and eventually better loading capability. The delaminations were mostly observed in the thicker bondline specimens. The mode I values of calculated strain energy release rates were higher than the mode II values in the all specimen models considering the three types of initial cracks. The mode I and total strain energy release rates were calculated as higher values in the order of initial crack in the edge interface, comer interface and delamination between the plies of laminate.
The present study investigated, both experimentally and numerically, the improvement of low-velocity impact damage resistance of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) laminates due to through-the-thickness stitching. First, we conducted drop-weight impact tests for stitched and unstitched laminates. The results of damage inspection confirmed that stitching did improve the impact damage resistance, and revealed that the improvement effect became greater as the impact energy increased. Moreover, the stitching affected the through-the-thickness damage distribution. Next, we performed FEM analysis and calculated the energy release rate of the delamination crack using the virtual crack closure technique (VCCT). The numerical results revealed that the stitching affected the through-the-thickness damage distribution because the stitch threads had a marked effect on decreasing both the modes I and II energy release rate around the bottom of the laminate. Comparison of the results for models that contained delaminations of various sizes revealed that the energy release rate became lower as delamination size increased; therefore the stitching improved the impact resistance more effectively when the impact energy was higher.
Park, Hong-Sun;Lee, Woo-Hyung;Keum, Jin-Hwa;Choi, Jung-Hun;Koo, Jae-Mean;Seok, Chang-Sung
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.27
no.10
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pp.69-76
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2010
This study examined how the fracture toughness is affected according to the variation of the initial crack length and the fiber arranged angle using FEA method and experimental method. Therefore, the energy release rates were calculated and compared by J-integral method and VCCT(Virtual Crack Closure Technique). The results of fracture toughness test verified these results. At this time, the locus method was used in order to determine the energy release rate. When the results of FEA were compared with those of experiment, all of those decreased with the increase of angle between load and the fiber arranged direction. The decrease was due to reducing maximum load and stiffness, and the reason of reduction has been judged that the inplane shear stress.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.4
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pp.293-300
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2012
In this study, the delamination analysis has been implemented to investigate the initiation and propagation of crack in composite laminates composed of orthotropic materials. A simple modeling was achieved by moving nodal technique without re-meshing work when crack propagation occurred. This paper aims at achieving two specific objectives. The first is to suggest a very simple modeling scheme compared with those applied to conventional h-FEM based models. To verify the performance of the proposed model, analysis of double cantilever beams with composite materials was implemented and then the results were compared with reference values in literatures. The second one is to investigate the behavior of interior delamination problems using the proposed model. To complete these objectives, the full-discrete-layer model based on Lobatto shape functions was considered and energy release rates were calculated using three-dimensional VCCT(virtual crack closure technique) based on linear elastic fracture mechanics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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