In this study, the failure behavior of composite material in the biaxial and off-axis loading is studied based on a computational micromechanical model. The model is developed so that the combination of mechanical and thermal loading conditions can be considered in the analysis. The modified generalized plane strain assumption of the theory of elasticity is used for formulation of the micromechanical modeling of the problem. A truly meshless method is employed to solve the governing equation and predict the distribution of micro-stresses in the selected RVE of composite. The fiber matrix interface is assumed to be perfect until the interface failure occurs. The biaxial and off-axis loading of the SiC/Ti and Kevlar/Epoxy composite is studied. The failure envelopes of SiC/Ti and Kevlar/Epoxy composite in off-axis loading, biaxial transverse-transverse and axial-transverse loading are predicted based on the micromechanical approach. Various failure criteria are considered for fiber, matrix and fiber-matrix interface. Comparison of results with the available results in the litreture shows excellent agreement with experimental studies.
Kawai, M.;Zhang, J.Q.;Saito, S.;Xiao, Y.;Hatta, H.
Advanced Composite Materials
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제18권3호
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pp.265-285
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2009
Off-axis compressive deformation behavior of a unidirectional CFRP laminate at high temperature and its strain-rate dependence in a quasi-static range are examined for various fiber orientations. By comparing the off-axis compressive and tensile behaviors at an equal strain rate, the effect of different loading modes on the flow stress level, rate-dependence and nonlinearity of the off-axis inelastic deformation is elucidated. The experimental results indicate that the compressive flow stress levels for relatively larger off-axis angles of $30^{\circ}$, $45^{\circ}$ and $90^{\circ}$ are about 50 percent larger than in tension for the same fiber orientations, respectively. The nonlinear deformations under off-axis tensile and compressive loading conditions exhibit significant strain-rate dependence. Similar features are observed in the fiber-orientation dependence of the off-axis flow stress levels under tension and compression and in the off-axis flow stress differential in tension and compression, regardless of the strain rate. A phenomenological theory of viscoplasticity is then developed which can describe the tension-compression asymmetry as well as the rate dependence, nonlinearity and fiber orientation dependence of the off-axis tensile and compressive behaviors of unidirectional composites in a unified manner. It is demonstrated by comparing with experimental results that the proposed viscoplastic constitutive model can be applied with reasonable accuracy to predict the different, nonlinear and rate-dependent behaviors of the unidirectional composite under off-axis tensile and compressive loading conditions.
Polymeric composites exhibit highly nonlinear and rate dependent behavior during loading and unloading in off-axis directions. The equilibrium state of stress during loading is lower than the state of stress produced at finite strain rates. The amount of stress relaxation during loading decreases. Interestingly, however, the stress goes up to reach to the equilibrium state of stress for a fixed displacement during unloading. The unloading behavior is quite similar to the loading behavior. The stress relaxation patterns during loading and unloading is also similar, and those depend on the fiber orientation angles and the loading and unloading rates. The AS4/PEEK thermoplastic composite is used to characterize the relaxation behavior for different off-axis angles and loading rates. There exists a transient loading region at the beginning of unloading. The effective stress and effective plastic strain concept is used to establish a master curve of stress recovery pattern for different off-axis angles and unloading rates.
The present paper focuses on experimental verification of the ply-by-ply basis inelastic analysis of multidirectional laminates. First of all, rate dependence of the tensile behavior of balanced symmetric cross-ply T800H/epoxy laminates with a $[0/90]_{3S}$ lay-up under off-axis loading conditions at $100^{\circ}C$ is examined. Uniaxial tension tests are performed on plain coupon specimens with various fiber orientations $[{\theta}/(90-{\theta})]_{3S}$ ($\theta$ = 0, 5, 15, 45 and $90^{\circ}C$) at two different strain rates (1.0 and 0.01%/min). The off-axis stress.strain curves exhibit marked nonlinearity for all the off-axis fiber orientations except for the on-axis fiber orientations $\theta$ = 0 and $90^{\circ}$, regardless of the strain rates. Strain rate has significant influences not only on the off-axis flow stress in the regime of nonlinear response but also on the apparent off-axis elastic modulus in the regime of initial linear response. A macromechanical constitutive model based on a ply viscoplasticity model and the classical laminated plate theory is applied to predictions of the rate-dependent off-axis nonlinear behavior of the cross-ply CFRP laminate. The material constants involved by the ply viscoplasticity model are identified on the basis of the experimental results on the unidirectional laminate of the same carbon/epoxy system. It is demonstrated that good agreements between the predicted and observed results are obtained by taking account of the fiber rotation induced by deformation as well as the rate dependence of the initial Young's moduli.
Loading/Unloading task in the real industry is performed by crane, but most of the loading/unloading task with the weight of 5kg∼30kg is done by human workers and this kind of work causes industrial disaster of workers. Therefore it is necessary to develop low cost loading/unloading manipulator system to prevent this kind of industrial accidents. This paper is concerned with the design and fabrication of 2 axis pneumatic manipulators using on/off solenoid valves and accurate position control without respect to the external load and low damping in the pneumatic rotary actuator. To overcome the change of external load, switching of control parameter using LVQNN (Learning Vector Quantization Neural Network) is newly applied, which estimates the external loads in the pneumatic cylinder. As an underlying controller, a state feedback controller using position, velocity and acceleration is applied to the switching control system. The effectiveness of the proposed control algorithms are demonstrated through experiments of pneumatic cylinder with various loads.
Kim, Wangdo;Veloso, Antonio P.;Araujo, Duarte;Kohles, Sean S.
Journal of Computational Design and Engineering
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제1권1호
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pp.55-66
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2014
A knee joint's longevity depends on the proper integration of structural components in an axial alignment. If just one of the components is abnormally off-axis, the biomechanical system fails, resulting in arthritis. The complexity of various failures in the knee joint has led orthopedic surgeons to select total knee replacement as a primary treatment. In many cases, this means sacrificing much of an other-wise normal joint. Here, we review novel computational approaches to describe knee physiotherapy by introducing a new dimension of foot loading to the knee axis alignment producing an improved functional status of the patient. New physiotherapeutic applications are then possible by aligning foot loading with the functional axis of the knee joint during the treatment of patients with osteoarthritis.
Supersonic jet fighter aircraft have several different weapon loading configuration to support air-to-air combat and air-to-ground delivery of weapon modes. Especially, asymmetric loading configurations could result in decreased handling qualities for the pilot maneuvering of the aircraft. The design of the T-50 lateral-directional roll axis control laws change from beta-betadot feedback structure to simple roll rate feedback structure and gains such as F-16 in order to improve roll-off phenomena during pitch maneuver in asymmetric loading configuration. Consequently, it is found that the improved control law decreases the roll-off phenomenon in lateral axes during pitch maneuver, but initial roll response is very fast and wing pitching moment is increased. In this paper, we propose the lateral control law blending between beta-betadot and simple roll rate feedback system in order to decreases the roll-off phenomenon in lateral axes during pitch maneuver without degrading of roll performance.
The tensile strength of unidirectional carbon fiber reinforced plastics under a high strain rate was experimentally investigated. A high-strain-rate test was performed using the tension-type split Hopkinson bar technique. In order to obtain the tensile stress-strain relations, a special fixture was used for the impact tensile specimen. The experimental results demonstrated that the tensile modulus and strength in the longitudinal direction are independent of the strain rate. In contrast, the tensile properties in the transverse direction and the shear properties increase with the strain rate. Moreover, it was observed that the strain-rate dependence of the shear strength is much stronger than that of the transverse strength. The tensile strength of off-axis specimens was measured using an oblique tab, and the experimental results were compared with the tensile strength predicted based on the Tsai-Hill failure criterion. It was concluded that the tensile strength can be characterized quite well using the above failure criterion under dynamic loading conditions.
Robinson, Dale;Aguilar, Luis;Gatti, Andrea;Abduo, Jaafar;Lee, Peter Vee Sin;Ackland, David
The Journal of Advanced Prosthodontics
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제11권3호
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pp.169-178
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2019
PURPOSE. While dental implants have displayed high success rates, poor mechanical fixation is a common complication, and their biomechanical response to occlusal loading remains poorly understood. This study aimed to develop and validate a computational model of a natural first premolar and a dental implant with matching crown morphology, and quantify their mechanical response to loading at the occlusal surface. MATERIALS AND METHODS. A finite-element model of the stomatognathic system comprising the mandible, first premolar and periodontal ligament (PDL) was developed based on a natural human tooth, and a model of a dental implant of identical occlusal geometry was also created. Occlusal loading was simulated using point forces applied at seven landmarks on each crown. Model predictions were validated using strain gauge measurements acquired during loading of matched physical models of the tooth and implant assemblies. RESULTS. For the natural tooth, the maximum vonMises stress (6.4 MPa) and maximal principal strains at the mandible ($1.8m{\varepsilon}$, $-1.7m{\varepsilon}$) were lower than those observed at the prosthetic tooth (12.5 MPa, $3.2m{\varepsilon}$, and $-4.4m{\varepsilon}$, respectively). As occlusal load was applied more bucally relative to the tooth central axis, stress and strain magnitudes increased. CONCLUSION. Occlusal loading of the natural tooth results in lower stress-strain magnitudes in the underlying alveolar bone than those associated with a dental implant of matched occlusal anatomy. The PDL may function to mitigate axial and bending stress intensities resulting from off-centered occlusal loads. The findings may be useful in dental implant design, restoration material selection, and surgical planning.
Statement of problem. Higher incidence of prosthetic complications such as screw loosening, screw fracture has been reported for posterior single tooth implant. So, there is ongoing research regarding stability of implant-abutment interface. One of those research is increasing the implant diameter and prosthetic table width to improve joint stability. In another part of this research, internal conical type implant-abutment interface was developed and reported joint strength is higher than traditional external hex interface. Purpose. The purpose of this study is to compare stress distribution in single molar implant between external hex butt joint implant and internal conical joint implant when increasing the implant diameter and prosthetic table width : 4mm diameter, 5mm diameter, 5mm diameter/6mm prosthetic table width. Material and method. Non-linear finite element models were created and the 3-dimensional finite element analysis was performed to see the distribution of stress when 300N static loading was applied to model at $0^{\circ},\;15^{\circ},\;30^{\circ}$ off-axis angle. Results. The following results were obtained : 1. Internal conical joint showed lower tensile stress value than that of external hex butt joint. 2. When off-axis loading was applied, internal conical joint showed more effective stress distribution than external hex butt joint. 3. External hex butt joint showed lower tensile stress value when the implant diameter was increased. 4. Internal conical joint showed lower tensile stress value than external hex butt joint when the implant diameter was increased. 5. Both of these joint mechanism showed lower tensile stress value when the prosthetic table width was increased. Conclusion. Internal conical joint showed more effective stress distribution than external hex joint. Increasing implant diameter showed more effective stress distribution than increasing prosthetic table width.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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