This study deals with dynamic model of composite sandwich panels with functionally graded flexible cores under low velocity impacts of multiple large or small masses using a new improved higher order sandwich panel theory (IHSAPT). In-plane stresses were considered for the functionally graded core and face sheets. The formulation was based on the first order shear deformation theory for the composite face sheets and polynomial description of the displacement fields in the core that was based on the second Frostig's model. Fully dynamic effects of the functionally graded core and face-sheets were considered in this study. Impacts were assumed to occur simultaneously and normally over the top and/or bottom of the face-sheets with arbitrary different masses and initial velocities. The contact forces between the panel and impactors were treated as internal forces of the system. Nonlinear contact stiffness was linearized with a newly presented improved analytical method in this paper. The results were validated by comparing the analytical, numerical and experimental results published in the latest literature.
Journal of the Korean Society of Clothing and Textiles
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v.44
no.6
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pp.1163-1177
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2020
The purpose of this study is to figure out the information needed to improve the shape and size suitability of face-applied mask sheets. The study analyzed the shape of the mask sheet from the scanned images of 50 products of 37 domestic brands. In addition, each measurement of 42 mask sheets were compared and analyzed multilaterally with the 3D measurement dimensions of the faces of men and women in their 20s from the 6th SizeKorea data. Analysis on the shapes of mask sheets indicated that domestic commercial mask sheets are mainly made of single or dual sheets, with slits for enhancing fitness to the three-dimensional face. In the dimensional analysis of Korean men, women and mask sheets, most of the lengths of the mask sheets were significantly larger or smaller than the actual faces of men and women. The horizontal length and vertical length of the forehead above the eyes are significantly shorter, thereby requiring adjustments in the dimensions of this area. In order to improve the size suitability of the mask, it is necessary to adjust the dimensions of the problem area according to the research results as well as diversify the dimensions considering the target layer.
Thermo-mechanical buckling of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) within the framework of Timoshenko beam theory is presented. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. Also the properties of these materials should be considered temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and solved using an efficient technique called the Differential Transform Method (DTM) to achieve the critical buckling of the sandwich beam in uniform thermal environment. A detailed parametric study is guided to investigate the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and clamped-clamped, simply-simply and clamped-simply end supports on the critical buckling behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. Numerical results for comparison of sandwich beams with uniformly distributed carbon nanotube-reinforced composite (UD-CNTRC) face sheets with those with FG-CNTRC face sheets are also presented.
Sandwich structures are well known for their use in aircraft, naval and automobile industries due to their high strength resistance with light weight and high energy absorption capability. Sandwich beams with soft core are very common and simple structures that are employed in day to day general use appliances. Modeling and analysis of sandwich structures is not straight forward due to the interactions between core and face sheets. In this paper, formulation of Super Convergent finite elements for analysis of the sandwich beams with soft core based on Euler Bernoulli beam theory are presented. Two elements, Eul4d with 4 degrees of freedom assuming rigid core in transverse direction and Eul10d with 10 degrees of freedom assuming the flexible core were developed are presented. The formulation considers the top, bottom face sheets and core as separate entities and are coupled by beam kinematics. The performance of these elements are validated by results available in the published literature. Number of studies are performed using the formulated elements in static, free vibration and wave propagation analysis involving various boundary and loading conditions. The paper highlights the advantages of the elements developed over the traditional elements for modeling of sandwich beams and, in particular wave propagation analysis.
In the present study, the nonlinear magneto-electro-mechanical free vibration behavior of rectangular double-bonded sandwich microbeams based on the modified strain gradient theory (MSGT) is investigated. It is noted that the top and bottom sandwich microbeams are considered with boron nitride nanotube reinforced composite face sheets (BNNTRC-SB) with electrical properties and carbon nanotube reinforced composite face sheets (CNTRC-SB) with magnetic fields, respectively, and also the homogenous core is used for both sandwich beams. The connections of every sandwich beam with its surrounding medium and also between them have been carried out by considering Pasternak foundations. To take size effect into account, the MSGT is introduced into the classical Timoshenko beam theory (CT) to develop a size-dependent beam model containing three additional material length scale parameters. For the CNTRC and BNNTRC face sheets of sandwich microbeams, uniform distribution (UD) and functionally graded (FG) distribution patterns of CNTs or BNNTs in four cases FG-X, FG-O, FG-A, and FG-V are employed. It is assumed that the material properties of face sheets for both sandwich beams are varied in the thickness direction and estimated through the extended rule of mixture. On the basis of the Hamilton's principle, the size-dependent nonlinear governing differential equations of motion and associated boundary conditions are derived and then discretized by using generalized differential quadrature method (GDQM). A detailed parametric study is presented to indicate the influences of electric and magnetic fields, slenderness ratio, thickness ratio of both sandwich microbeams, thickness ratio of every sandwich microbeam, dimensionless three material length scale parameters, Winkler spring modulus and various distribution types of face sheets on the first two natural frequencies of double-bonded sandwich microbeams. Furthermore, a comparison between the various beam models on the basis of the CT, modified couple stress theory (MCST), and MSGT is performed. It is illustrated that the thickness ratio of sandwich microbeams plays an important role in the vibrational behavior of the double-bonded sandwich microstructures. Meanwhile, it is concluded that by increasing H/lm, the values of first two natural frequencies tend to decrease for all amounts of the Winkler spring modulus.
Composite material-due to low density-causes weight savings, which results in lower fuel consumption of transport vehicles. The aim of the research was to change the existing base-plate of the aluminum airplane container with the composite sandwich plate in order to reduce the weight of the containers of cargo aircrafts. The newly constructed sandwich plate consists of aluminum honeycomb core and composite face-sheets. The face-sheets consist of glass or carbon or hybrid fiber layers. The orientations of the fibers in the face-sheets were 0°, 90° and ±45°. Multi-objective optimization method was elaborated for the newly constructed sandwich plates. Based on the design aim, the importance of the objective functions (weight and cost of sandwich plates) was the same (50%). During the optimization nine design constraints were considered: stiffness, deflection, facing stress, core shear stress, skin stress, plate buckling, shear crimping, skin wrinkling, intracell buckling. The design variables were core thickness and number of layers of the face-sheets. During the optimization both the Weighted Normalized Method of the Excel Solver and the Genetic Algorithm Solver of Matlab software were applied. The mechanical properties of composite face-sheets were calculated by Laminator software according to the Classical Lamination Plate Theory and Tsai-Hill failure criteria. The main added-value of the study is that the multi-objective optimization method was elaborated for the newly constructed sandwich structures. It was confirmed that the optimal new composite sandwich construction-due to weight savings and lower fuel consumption of cargo aircrafts - is more advantageous than conventional all-aluminum container.
In this paper, thermal effect on the vibration and stability of initially stressed sandwich plates with functionally graded material (FGM) face sheets is analyzed. Material properties of FGM face sheet are graded continuously in the thickness direction. The variation of FGM properties assumes a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The governing equations of arbitrarily initially-stressed sandwich plates including the effects of transverse shear deformation and rotary inertia are derived. The initial stress is taken to be a combination of a uniaxial extensional stress and a pure bending stress in the examples. The eigenvalue problems are formed to study the vibration and buckling characteristics of simple supported initially stressed FGM/metal/FGM plates. The effects of volume fraction index, temperature rise, initial stress and layer thickness of metal on the natural frequencies and buckling loads are investigated. The results reveal that the volume fraction index, initial stresses and layer thickness of metal have significant influence on the vibration and stability of sandwich plates with FGM face sheets.
Zarei, Mohammad J.;Hatami, Shahabeddin;Gholami, Mohammad
Steel and Composite Structures
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v.44
no.4
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pp.519-529
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2022
Sandwich structures with the superior mechanical properties such as high stiffness and strength-to-weight ratio, good thermal insulation, and high energy absorption capacity are used today in aerospace, automotive, marine, and civil engineering industries. These structures are composed of moderately stiff, thin face sheets that withstand the majority of transverse and in-plane loads, separated by a thick, lightweight core that resists shear forces. In this research, the finite element technique is used to simulate a sandwich panel with a truss core under axial compressive stress using ABAQUS software. A review of past experimental studies shows that the bondline between the core and face sheets plays a vital role in the critical failure load. Therefore, this modeling analyzes the damage initiation modes and debonding between face sheet and core by cohesive surface contact with traction-separation model. According to the results obtained from the modeling, it can be observed that the adhesive stiffness has a significant influence on the critical failure load of the specimens. To achieve the full strength of the structure as a continuum, a lower limit is obtained for the adhesive stiffness. By providing this limit stiffness between the core and the panel face sheets, sudden failure of the structure can be prevented.
In this paper, based on first-order shear deformation theory, the governing equations of motion for a sandwich curved beam including an elastic core and two piezo-magnetic face-sheets are presented. The curved beam model is resting on Pasternak's foundation and subjected to applied electric and magnetic potentials on the piezo-magnetic face-sheets and transverse loading. The five equations of motion are analytically solved and the bending and vibration results are obtained. The influence of important parameters of the model such as direct and shear parameters of foundation and applied electric and magnetic potentials are studied on the electro-mechanical responses of the problem. A comparison with literatures was performed to validate our formulation and results.
Amir, Saeed;Arshid, Ehsan;Arani, Mohammad Reza Ghorbanpour
Smart Structures and Systems
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v.23
no.5
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pp.429-447
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2019
The present study analyzed free vibration of the three-layered micro annular/circular plate which its core and face sheets are made of saturated porous materials and FG-CNTRCs, respectively. The structure is subjected to magneto-electric fields and magneto-electro-mechanical pre loads. Mechanical properties of the porous core and also FG-CNTRC face sheets are varied through the thickness direction. Using dynamic Hamilton's principle, the motion equations based on MCS and FSD theories are derived and solved via GDQ as an efficient numerical method. Effect of different parameters such as pores distributions, porosity coefficient, pores compressibility, CNTs distribution, elastic foundation, multi-physical pre loads, small scale parameter and aspect ratio of the plate are investigated. The findings of this study can be useful for designing smart structures such as sensor and actuator.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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