Vacuum hot pressing has been used for the development of titanium metal matrix composites using foil-fiber-foil method. Heterogeneous microstructures prior to and following consolidation have been quantified, and the relations to densification behavior investigated. As shown by the results, dramatic variations of the microstructures including equiaxed $\alpha$, transformed $\beta$ and $ Widmanst\ddot{a}tten$$\alpha$ are obtained during the process according to the fiber distributions. The dependence of microstructures on the consolidation then has been explained in terms of the change in mechanisms such as grain growth and recrystallization that occur with changing levels of inhomogeneity of deformation. Further, micro-mechanics based constitutive model enabling the evolution of density over time together with the evolutions of microstructure to be predicted has been developed. The mode developed is then implemented into finite element scheme so that practical process simulation has been carried out.
Park, Chan Yik;Lee, Myung-Keon;Kim, Sang-Yong;Jang, Se-Yong
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.50
no.5
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pp.309-316
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2022
This paper presents nonlinear numerical analysis results which were compared with the tested tensile strengths of CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) laminates with 14 different stacking sequences. The composite laminate coupons were cured under an autoclave pressure using resin-impregnated unidirectional tapes. The nonlinearity of the matrix was considered for the analysis, which was obtained from lamina tests. The Hashin failure criteria and progressive failure analysis were used for the nonlinear finite element analysis. The comparison results show that the current approach is acceptable to predict the tensile strengths of the CFRP laminate coupons with various stacking sequences and no damage. However, it is not acceptable to predict the tensile strengths of the laminate specimens with a center hole.
In this study, we suggest the new floating PV generation structure which is improved the structural and economical efficiency compared with the system developed in the previous research. Pultruded FRP has superior physical and chemical material properties compared with those of conventional structural materials. Especially, pultruded FRP has an excellent corrosion-resistance, light-weight, and it also has high specific strength and stiffness which are highly appreciated for the design and fabrication of floating PV generation structure under harsh environmental condition. In this study, structural analysis using the finite element method has been performed to investigate the safety of new floating PV generation structure and newly applied structural members.
Conventional Piezoelectric Energy Harvesters (CPEH) have been extensively studied for maximizing their electrical output through material selection, geometric and structural optimization, and adoption of efficient interface circuits. In this paper, the performance of Stepped Piezoelectric Energy Harvester (SPEH) under harmonic base excitation is studied analytically, numerically and experimentally. The motivation is to compare the energy harvesting performance of CPEH and SPEHs with the same characteristics (resonant frequency). The results of this study challenge the notion of achieving higher voltage and power output through incorporation of geometric discontinuities such as step sections in the harvester beams. A CPEH consists of substrate material with a patch of piezoelectric material bonded over it and a tip mass at the free end to tune the resonant frequency. A SPEH is designed by introducing a step section near the root of substrate beam to induce higher dynamic strain for maximizing the electrical output. The incorporation of step section reduces the stiffness and consequently, a lower tip mass is used with SPEH to match the resonant frequency to that of CPEH. Moreover, the electromechanical coupling coefficient, forcing function and damping are significantly influenced because of the inclusion of step section, which consequently affects harvester's output. Three different configurations of SPEHs characterized by the same resonant frequency as that of CPEH are designed and analyzed using linear electromechanical model and their performances are compared. The variation of strain on the harvester beams is obtained using finite element analysis. The prototypes of CPEH and SPEHs are fabricated and experimentally tested. It is shown that the power output from SPEHs is lower than the CPEH. When the prototypes with resonant frequencies in the range of 56-56.5 Hz are tested at 1 m/s2, three SPEHs generate power output of 482 μW, 424 μW and 228 μW when compared with 674 μW from CPEH. It is concluded that the advantage of increasing dynamic strain using step section is negated by increase in damping and decrease in forcing function. However, SPEHs show slightly better performance in terms of specific power and thus making them suitable for practical scenarios where the ratio of power to system mass is critical.
Mohabeddine, Anis I.;Eshaghi, Cyrus;Correia, Jose A.F.O.;Castro, Jose M.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.4
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pp.447-456
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2022
Recent experimental studies showed that deep steel I-shaped profiles classified as high ductility class sections in seismic design international codes exhibit low deformation capacity when subjected to cyclic loading. This paper presents an innovative retrofit solution to increase the rotation capacity of beams using bonded carbon fiber reinforced polymers (CFRP) patches validated with advanced finite element analysis. This investigation focuses on the flexural cyclic behaviour of I-shaped hot rolled steel deep section used as beams in moment-resisting frames (MRF) retrofitted with CFRP patches on the web. The main goal of this CFRP reinforcement is to increase the rotation capacity of the member without increasing the overstrength in order to avoid compromising the strong column-weak beam condition in MRF. A finite element model that simulates the cyclic plasticity behavior of the steel and the damage in the adhesive layer is developed. The damage is modelled using the cohesive zone modelling (CZM) technique that is able to capture the crack initiation and propagation. Details on the modelling techniques including the mesh sensitivity near the fracture zone are presented. The effectiveness of the retrofit solution depends strongly on the selection of the appropriate adhesive. Different adhesive types are investigated where the CZM parameters are calibrated from high fidelity fracture mechanics tests that are thoroughly validated in the literature. This includes a rigid adhesive commonly found in the construction industry and two tough adhesives used in the automotive industry. The results revealed that the CFRP patch can increase the rotation capacity of a steel member considerably when using tough adhesives.
Kim, Ho-Jin;Nam, Jin-Won;Kim, Sung-Bae;Kim, Jang-Ho;Byun, Keun-Joo
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.19
no.2
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pp.241-250
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2007
In case of retrofitting a concrete structure subjected to blast load by using retrofit materials such as FRP (fiber-reinforced polymer), appropriate ductility as well as raising stiffness must be obtained. But the previous approximate and simplified models, which have been generally used in the design and analysis of structures subjected to blast load, cannot accurately consider effects on retrofit materials. Problems on the accuracy and reliability of analysis results have also been pointed out. In addition, as the response of concrete and reinforcement on dynamic load is different from that on static load, it is not appropriate to use material properties defined in the previous static or quasi-static conditions to in calculating the response on the blast load. In this study, therefore, an accurate HFPB (high fidelity physics based) finite element analysis technique, which includes material models considering strength increase, and strain rate effect on blast load with very fast loading velocity, has been suggested using LS-DYNA, an explicit analysis program. Through the suggested analysis technique, the behavior on the blast load of retrofitted concrete walls using CFRP (carbon fiber-reinforced polymer) and GFRP (glass fiber-reinforced polymer) have been analyzed, and the retrofit capacity analysis has also been carried out by comparing with the analysis results of a wall without retrofit. As a result of the analysis, the retrofit capacity showing an approximate $26{\sim}28%$ reduction of maximum deflection, according to the retrofit, was confirmed, and it is judged ate suggested analysis technique can be effectively applicable in evaluating effectiveness of retrofit materials and techniques.
The purpose of this study was to evaluate the influence of elastic modulus of restorative materials and the number of interfaces of post and core systems on the stress distribution of three differently restored endodontically treated maxillary second premolars using 3D FE analysis. Model 1, 2 was restored with a stainless steel or glass fiber post and direct composite resin. A PFG or a sintered alumina crown was considered. Model 3 was restored by EndoCrown. An oblique 500 N was applied on the buccal (Load A) and palatal (Load B) cusp. The von Mises stresses in the coronal and root structure of each model were analyzed using ANSYS. The elastic modulus of the definitive restorations rather than the type of post and core system was the primary factor that influenced the stress distribution of endodontically treated maxillary premolars. The stress concentration at the coronal structure could be lowered through the use of definitive restoration of high elastic modulus. The stress concentration at the root structure could be lowered through the use of definitive restoration of low elastic modulus.
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.
To evaluate the flexural deformation and strength of composite motor case above the glass transition temperature$(T_g),\;170^{\circ}C$, of resin material, a finite element analysis(FEA) model in which material non-linearity and progressive failure mode were considered was proposed. The laminated flexural specimens which have the same lay-up and thickness as the composite motor case were tested by 4-point bending test to verify the validity of FEA model. Also. mechanical properties in high temperature were evaluated to obtain the input values for FEA. Because the material properties related to resin material were highly deteriorated in the temperature range beyond $T_g$, the flexural stiffness and strength of laminated flexural specimen in $200^{\circ}C$ were degraded by also $70\%\;and\;80\%$ in comparison with normal temperature results. Above $T_g$, the failure mode was changed from progressive failure mode initiated by matrix cracking at $90^{\circ}$ ply in bottom side and terminated by delamination at the center line of specimen to fiber compressive breakage mode at top side. From stress analysis, the progressive failure mechanism was well verified and the predicted bending stiffness and strength showed a good agreement with the test results.
Park, Eu-Tteum;Lee, Youngheon;Kim, Jeong;Kang, Beom-Soo;Song, Woojin
Composites Research
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v.31
no.5
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pp.177-185
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2018
Fiber metal laminate (FML) is a type of hybrid composites which consist of metallic and fiber-reinforced plastic sheets. As the FML has a drawback of the delamination that is a failure of the interfacial adhesive layer, the nominal stresses and the energy release rates should be determined to identify the delamination behavior. However, it is difficult to derive the nominal stresses and the energy release rates since the operating temperature of the equipment is restricted. For this reason, the objective of this paper is to predict the mode-I nominal stress and the mode-I energy release rate of the adhesive layer using the inverse analysis based on the Levenberg-Marquardt method. First, the mode-I nominal stress was assumed as the tensile strength of the adhesive layer, and the mode-I energy release rate was obtained from the double cantilever beam test. Next, the finite element method was applied to predict the mode-I delamination behavior. Finally, the mode-I nominal stress and the mode-I energy release rate were predicted by the inverse analysis. In addition, the convergence of the parameters was validated by trying to input two cases of the initial parameters. Consequently, it is noted that the inverse analysis can predict the mode-I delamination behavior, and the two input parameters were converged to similar values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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