Recently, based on the smart structure concept, optical fiber sensors have been increasingly applied to monitor the various engineering and civil structural components. Repairs based on adhesively bonded fiber reinforce composite patches are more structurally efficient and much less damaging to the parent structure than standard repairs based on mechanically fastened metallic patches. As a result of the high reinforcing efficiency of bonded patches fatigue cracks can be successfully repaired. However, when such repairs are applied to primary structures, it is needed to demonstrate that its loss can be immediately detected. This approach is based on the "smart patch" concept in which the patch system monitors its own health. The objective of this study is to evaluate the potentiality of application of transmission-type extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensor (TEFPI) to the monitoring of crack growth behavior of composite patch repaired structures. The sensing system of TEFPI and the data reduction principle for the detection of crack detection are presented. Finally, experimental results from the tests of center-cracked-tension aluminum specimens repaired with bonded composite patch is presented and discussed.
An analytical study was conducted to characterize the fatigue crack growth behavior of pre-cracked aluminum plates repaired with asymmetric bonded composite patch. For single-sided repairs, due to the asymmetry and the presence of out-of-plane bending, crack front shape would become skewed curvilinear started from a uniform through-crack profile, as observed from previous studies. In this study, the fatigue analysis of single-sided repairs considering crack front shape development was conducted by implementing three-dimensional successive finite element method coupled with linear elastic fracture mechanics (LEFM) concept, which enables the growing crack front to be directly traced and modeled in a step by step way. Through conducting present analysis technique, crack path of the patched plate as well as the fatigue life was evaluated with sufficient accuracy. The analytical predictions of both the crack front shape evolution and the fatigue life were in good agreement with the experimental observations.
Defective metallic components and structures are being repaired with bonded composite patches to improve overall mechanical and fatigue properties. In this study, fatigue crack growth tests were conducted on pre-cracked 7075/T6 Aluminum substrates with and without bonded Boron/epoxy patches. A considerable increase in the fatigue life and a decrease in the stress intensity factor (SIF) were observed as the number of patch plies increased. The experimental results demonstrate that the patch configurations and patch thickness can enhance fatigue life by order of magnitude. Quantitative comparisons between analytical and experimental data were made, and the analytical model based on a modified Rose's analytical solution appears to best estimate the fatigue life.
In this paper, the analysis of the behavior of surface cracks in finite-thickness plates repaired with a Boron/Epoxy composite patch is investigated using three-dimensional finite element methods. The stress intensity factor at the crack-front was used as the fracture criteria. Using the Ansys Parametric Design Language (APDL), the stress intensities at the internal and external positions of repaired surface crack were compared. The effects of the mechanical and geometrical properties of the adhesive layer and the composite patch on the variation of the stress intensity factor at the crack-front were examined.
Abdelkader Boulenouar;Mohammed A. Bouchelarm;Noureddine Benseddiq
Steel and Composite Structures
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제49권3호
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pp.271-280
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2023
In this study, the three-dimensional finite element method is used to analyze the behavior of corner cracks in finite-thickness plates repaired with a composite patch. The normalized stress intensity factor at the crack front is used as fracture criterion. Comparison of stress intensity factor values at the internal and external positions of repaired quarter-elliptical corner crack was done, for three repair techniques. The influence of mechanical and geometrical properties of the adhesive layer and the composite patch on the variation of the stress intensity factor (SIF) at the crack-front was highlighted. The obtained results show that the application of double patch leads to a remarkable reduction of SIF at the crack front, compared to facial and lateral repairs.
Belakhdar, Khalil;Tounsi, Abdelouahed;Adda Bedia, El Abbes;Redha, Yeghnem
Steel and Composite Structures
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제11권6호
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pp.435-454
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2011
Bonding composite materials to structural members for strengthening purpose has received a considerable attention in recent years. The major problem when using bonded FRP or steel plates to strengthen existing structures is the high interfacial stresses that may be built up near the plate ends which lead to premature failure of the structure. As a result, many researchers have developed several analytical methods to predict the interface performance of bonded repairs. In this paper, a numerical solution using finite - difference method is used to calculate the interfacial stress distribution in beams strengthened with FRP plate having a tapered ends with different thinning profiles. These latter, can significantly reduce the stress concentration. In the present theoretical analysis, the adherend shear deformations are taken into account by assuming a parabolic shear stress through the thickness of both beam and bonded plate. Numerical results from the present analysis are presented to demonstrate the advantages of use the tapers in design of strengthened beams.
El Mahi, Benaoumeur;Kouider Halim, Benrahou;Sofiane, Amziane;Khalil, Belakhdar;Abdelouahed, Tounsi;Adda Bedia, El Abbes
Steel and Composite Structures
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제17권5호
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pp.601-621
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2014
Repairing and strengthening structural members by bonding composite materials have received a considerable attention in recent years. The major problem when using bonded FRP or steel plates to strengthen existing structures is the high interfacial stresses that may be built up near the plate ends which lead to premature failure of the structure. As a result, many researchers have developed several analytical methods to predict the interface performance of bonded repairs under various types of loading. In this paper, a numerical solution using finite - difference method (FDM) is used to calculate the interfacial stress distribution in beams strengthened with FRP plate having a tapered ends under thermal loading. Different thinning profiles are investigated since the later can significantly reduce the stress concentration. In the present theoretical analysis, the adherend shear deformations are taken into account by assuming a parabolic shear stress through the thickness of both beam and bonded plate. The shear correction factor for I-section beams is also included in the solution. Numerical results from the present analysis are presented to demonstrate the advantages of use the tapers in design of strengthened beams.
본 논문에서는 한 쪽 면만 복합재 패치로 보강한 알루미늄 균열평판의 피로균열 진전거동을 해석적인 방법으로 고찰하였다. 한쪽 면 보강 시, 균열선단은 비대칭성과 면 외 굽힘의 효과로 인하여 초기의 직선형태에서 경사곡선형태로 진전한다는 사실을 이전의 연구견과에서 확인할 수 있다. 따라서 정확한 피로거동을 고찰하기 위하여는 이와 같은 균열선단의 변화과정을 예측하고, 이론 해석에 반영하는 것이 필수적이라 하겠다. 본 연구에서는 균열선단 전개형상을 고려한 한쪽 면 보강시의 피로해석을 수행하기 위하여 선형탄성 파괴역학개념을 적용한 3차원 순차적 유한요소 해석기법을 적용하였는데, 이를 통하여 진전하는 균열선단 형상을 단계적, 반복적으로 추적하고 해석모델에 반영하였다. 이와 같은 해석기법을 적용함으로써 패치보강 평판의 피로수명은 물론 균열선단 진전과정도 정확히 예측할 수 있었다. 해석으로 얻어진 균열선단 진전거동 및 피로수명은 상응하는 실험결과와 잘 일치함을 확인하였다.
The severe deterioration of structures has led to extensive research on the development of structural repair techniques using composite materials. Consequently, previous researchers have devised various analytical methods to predict the interface performance of bonded repairs. However, these analytical solutions are highly complex mathematically and necessitate numerous calculations with a large number of iterations to obtain the output parameters. In this paper, an artificial neural network prediction models is used to calculate the interfacial stress distribution in RC beams strengthened with FRP sheet. The R2value for the training data is evaluated as 0.99, and for the testing data, it is 0.92. Closed-form solutions are derived for RC beams strengthened with composite sheets simply supported at both ends and verified through direct comparisons with existing results. A comparative study of peak interfacial shear and normal stresses with the literature gives the usefulness and effectiveness of ANN proposed. A parametrical study is carried out to show the effects of some design variables, e.g., thickness of adhesive layer and FRP sheet.
Through the use of finite element analysis and acoustic emission techniques we have evaluated the interfacial failure of a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) repair patch on a notched aluminum substrate. The repair of cracks is a very common and widely used practice in the aeronautics field to extend the life of cracked sheet metal panels. The process consists of adhesively bonding a patch that encompasses the notched site to provide additional strength, thereby increasing life and avoiding costly replacements. The mechanical strength of the bonded joint relies mainly on the bonding of the adhesive to the plate and patch stiffness. Stress concentrations at crack tips promote disbonding of the composite patch from the substrate, consequently reducing the bonded area, which makes this a critical aspect of repair effectiveness. In this paper we examine patch disbonding by calculating the influence of notch tip stress on disbond area and verify computational results with acoustic emission (AE) measurements obtained from specimens subjected to uniaxial tension. The FE results showed that disbonding first occurs between the patch and the substrate close to free edge of the patch followed by failure around the tip of the notch, both highest stress regions. Experimental results revealed that cement adhesion at the aluminum interface was the limiting factor in patch performance. The patch did not appear to strengthen the aluminum substrate when measured by stress-strain due to early stage disbonding. Analysis of the AE signals provided insight to the disbond locations and progression at the metal-adhesive interface. Crack growth from the notch in the aluminum was not observed until the stress reached a critical level, an instant before final fracture, which was unaffected by the patch due to early stage disbonding. The FE model was further utilized to study the effects of patch fiber orientation and increased adhesive strength. The model revealed that the effectiveness of patch repairs is strongly dependent upon the combined interactions of adhesive bond strength and fiber orientation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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