International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.13
no.3
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pp.282-295
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2012
Fiber reinforced polymer matrix composites are widely used to provide protection against ballistic impact and blast events. There are several factors that govern the structural response and mechanical properties of a textile composite structure, of which the fiber-matrix interfacial behavior is a crucial determinant. This paper reviews the microbond or microdroplet test methodology that is used to characterize the fiber-matrix interfacial behavior, particularly the interface shear strength (IFSS). The various analytical, experimental, and numerical approaches applied to the microbond test are reviewed in detail.
A new evaluation method for the interfacial properties of fibrous composites based on a fragmentation technique is proposed by using the gradual multi-fiber composite, in which the inter-fiber spacing is gradually changed. The results showed that as the inter-fiber distance increased, the aspect ratio of broken fibers decreased while the interfacial shear strength between the fiber and matrix increased. When the reciprocal of the inter-fiber destance was taken for the above relations, both the aspect ratio and interfacial shear strength showed a saturated value. This means that the gradual multi-fiber composite indicates an upper bound in aspect ratio and an upper bound in interfacial shear strength. It was concluded that this fragmentation test could be a new method for composite evaluation, since reducing a difference between these two bounds is effective for composite strengthening. In addition an elastoplastic finite element analysis was carried out to relate the above results with fiber stress a distribution around fiber breaks. It was proved that the bound obtained in the gradual multi-fiber composite test is closely related to stress concentrations caused by a group of multi-fiber breaks.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.6
s.177
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pp.1456-1469
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2000
Mechanical behaviors of uniaxially fiber-reinforced metal matrix composites under transverse loading conditions were studied at room and elevated temperatures. A mono-filament composite was selecte d as a representative analysis model with perfectly bonded fiber/matrix interface assumption. The elastic-plastic and visco-plastic models were investigated by both theoretical and numerical methods. The product of triaxiality factor and effective strain as well as stress components and strain energy was obtained as a function of location to estimate the failure sites in fiber-reinforced metal matrix composite. Results showed that fiber/ matrix interfacial debond plays a key role for local failure at the room temperature, while void creation and growth in addition to the interfacial debond are major concerns at the elevated temperature. It was also shown that there would be an optimal diameter of fiber for the strong fiber-reinforced metal matrix composite.
In this paper, the equivalent elastic properties of fiber reinforced plastic laminar are investigated using various homogenization schemes. Although there are several methods for predicting the equivalent elastic properties such as analytical formula or semi-empirical formula, most of them have some limitations or are not much accurate when handling new composite material consisting of various fiber, matrix and fiber-volume fraction ratio. To resolve the issues, computational homogenization scheme is adopted with a representative volume element (RVE) comprised of a set of finite elements. Finally, the equivalent elastic properties are obtained by applying periodic boundary conditions. The obtained results are compared with those by the existing methods and test results. Also its effect on structural analysis results of the composite satellite panel is investigated.
Interfacial shear strength between epoxy and carbon fiber has been analyzed utilizing the microbond specimen with an epoxy micro-droplet adhered onto single carbon fiber. The interfacial shear stress distributions along the fiber/matrix interface were calculated by finite element analysis using three kinds of finite element models such as droplet model, circular-crosssection model and pull-out model. Conclusions were obtained as follows. (1) Interfacial shear stress distribution showed that larger stresses were concentrated in the fiber/matrix interface for microbond test than for pull-out test. Thus, debonding at the fiber/matrix interface during microbond test was liable to occur at low load level. (2) Microbond test showed higher interfacial strength which was caused by various effects of micro-droplet geometry and size as well as stress concentration in the region contacting with the micro-vise tip.
Two carbon fiber composite laminates, $[0/90]_{2S}$ and $[0/+45/90/-45]_S$, were considered in this work to find out the perforation threshold energy to complete the perforation process and the corresponding maximum contact force. Explicit finite element commercial software, LS-DYNA, was used to predict these values. According to the simulation results, these two types of composite laminates were tested by using a vertical drop-weight testing machine. After testing, the damage condition of these specimens were observed and compared with the results from finite element analysis. The testing results indicate that the perforation threshold energy is 6 Joules for $[0/90]_{2S}$ and 7 Joules for $[0/+45/90/-45]_S$, which is in good agreement with the simulation results. Also, the maximum contact force at the case of perforation threshold energy is the lowest as compared to the maximum contact forces occurring at the impact energy that is larger or less than the perforation threshold energy.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.52
no.2
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pp.143-152
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2015
In the present study, the fiber and matrix failure of composite laminates under arbitrary biaxial stresses were evaluated based on separate mode criteria such as Hasnin and Puck theories. There is a limitation to predict the fiber-dominant and/or matrix-dominant failures under arbitrary stress states using limit criteria (maximum stress and maximum strain theories) and interactive criteria (Tsai-Hill and Tsai-Wu theories). There is little literature for failure analysis of ships and offshore composite structures considering advanced failure theories such as Hashin and Puck theories. Furthermore, there is not enough practical commercial finite element analysis (FEA) code which is basically adopted the separate mode criteria. Hence, in the present study, the user-defined subroutine of commercial FEA code ABAQUS for evaluation of fiber and matrix failures of composite structures was developed based on Hashin and Puck failure criteria. And then, the proposed subroutine was validated by comparing with a series of experimental results of carbon- and glass-implemented composite laminates to guarantee the reliability and usefulness of the developed method.
Lee, Su-Yeong;Lee, Nam Ju;Choi, Ung-Jae;Kim, Hong Seok;Shin, Ki-Hoon;Cheong, Seong-Kyun
Journal of the Korean Society of Safety
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v.31
no.6
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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.
The compression and tension test were performed to evaluate the stiffnesses of the conical composite lattice structures and results of test were compared with finite element analysis results. Because of difficulty to perform simple tension and compression test due to conical shape, suitable specimens and jig for test were made. Subelements extracted from the structure were prepared for compression test. Compression test of subelement was performed and compressive strains in fiber direction were measured. Compressive stiffness of the helical rib was verified by finite element analysis results. For stiffness of hoop rib, hoop ring specimens were extracted from the structure. Tension test of hoop ring specimen was performed to apply bending deformation to hoop rib. Stiffness of hoop rib was verified by finite element model considering various fiber volume fraction in thickness direction.
The strong continuous fiber reinforced metal matrix composites (MMCs) are recently used in aerospace and transportation applications as an advanced material due to its high strength and light weight. Unidirectional fiber-metal matrix composites have superior mechanical properties along the longitudinal direction. However, the applicability of continuous fiber reinforced MMCs is somewhat limited due to their relatively poor transverse properties. Therefore, the transverse properties of MMCs are significantly influenced by the properties of the fiber/matrix interface. In order to be able to utilize these MMCs effectively and with safety, it must be determined their elastic plastic behaviors at the interface. In this study, the interfacial stress states of transversely loaded unidirectional fiber reinforced metal matrix composites investigated by using elastic-plastic finite element analysis. Different fiber volume fractions $(5-60\%)$ were studied numerically. The interlace was treated as three thin layer (with different properties) with a finite thickness between the fiber and the matrix. The fiber is modeled as transversely isotropic linear-elastic, and the matrix as isotropic elastic-plastic material. Using proposed model, the effects of the interface region and fiber arrangement in MMCs on the distributions of stress and strain are evaluated. The stress distributions of a thin multi layer interface have much less changes compared with conventional perfect interface. The analyses were based on a two-dimensional generalized plane strain model of a cross-section of an unidirectional composite by the ANSYS finite element analysis code.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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