The use of advanced composite materials has grown in recent years in aerospace and other structures. Out of various kinds of repairing methods the one selecteh for this study is an idealized case which simulates a situation where a damaged laminate has been repaired by drilling a hole and therefter plugging the hole with reinforcement. Two typesof reinforcement are investigated ;adhesively bonged plug reinforcement or snug-fit unbonded plug in the hole. For each case of reinforcement, four different sizes of hole diameter and three types of reinforcing material(steel, aluminum, plexiglass) are employed for investigation. The experiment are mainloy forced on the evaluation of ultimate strength of laminate with reinforced hole in comparison to its counterpart with the open hole.
The characteristic length method used to determine a laminate's strength generally requires the test for un-notched and notched laminates and finite element analysis together. In this paper, the methods used to predict the stress distribution and tensile characteristic length of open-hole laminates using the stress concentration factor and equivalent material properties are proposed. These methods do not require data on the failure load of open-hole laminates or finite element analysis. Once the stress and characteristic length have been determined, the failure load of the open-hole laminate can be calculated. The proposed method considers the effect of the material properties as a parameter and therefore can be applied to a variety of materials. The stress distribution is verified by comparing with a finite element analysis and test results. The predicted failure load shows a maximum deviation of 8% from the test results.
This paper presents a method that uses the stress failure criteria to predict the tensile failure strength of open-hole laminates with stress concentrations. The composite material used in this study corresponds to a 177 ℃ cured, carbon/epoxy unidirectional tape prepreg. The results obtained by testing ten different laminates were compared and analyzed to verify the tensile strength of the open-hole laminates predicted using the proposed stress failure criteria. The findings of this study confirm that the tensile strength predictions performed using the proposed method are generally accurate, except in cases involving highly soft laminates (10% of 0° ply).
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.16
no.3
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pp.360-369
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2015
A methodology for determining the design allowables of composite laminates by using lamina level test data and finite element analysis (FEA) is proposed and verified in this paper. An existing method that yields the laminate design allowables by using the complete test results for laminates was improved to reduce the expensive and time-consuming tests. Input property samples for FEA were generated after considering the statistical distribution characteristics of lamina level test data., and design allowables were derived from several FEA analyses of laminates. To apply and verify the proposed method, Hexcel 8552 IM7 test data were used. For both un-notched and open-hole laminate configurations, it was found that the design allowables obtained from the analysis correctly predicted the laminate test data within the confidence interval. The potential of the present simulation to substitute the laminate tests was demonstrated well.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.104-107
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2006
Numerical analysis on laminated plates containing an open hole subjected to compression is conducted to predict the damage constitutive behaviour of the plates. A micromechanical constitutive model for unidirectional laminated composites proposed by Liang et a1. (2006), in conjunction with damage models (Karihaloo and Fu, 1989, 1999; Zhao and Weng, 1996, 1997), is implemented into the finite element code ABAQUS to conduct the numerical analysis. The predictions are compared with experiments (Lessard and Chang, 1991) to verify the accuracy of the present analysis.
The effect of open and filled holes on the strength behavior of carbon fiber reinforced polymeric (CFRP) composites was investigated. The strength was measured at room temperature dry, cold temperature dry, $-55^{\circ}C$, and elevated temperature wet, $108.3^{\circ}C$ on several different laminate configurations. Based on the experimental data presented, it is shown that the filled hole tensile strength is larger than that of open hole by reducing damage around the hole due to the constraint imposed by the fastener. The tensile strength at cold temperature dry, $-55^{\circ}C$ is increased with the brittleness by the thermal expansion coefficient of fiber and matrix. The compressive strength at elevated temperature wet, $108.3^{\circ}C$ is decreased by the cause of interfacial deterioration between fiber and matrix with moisture absorption.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.49
no.7
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pp.549-555
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2021
Open hole strength of composite laminates is often used as the design allowable strength for designing composite aircraft structures, particularly those structures subjected to impact loading. Generally, the degradation of strength due to a barely visible impact damage (BVID) is assumed as the strength of 6.0 mm hole diameter in 24.0 mm width specimen. In this study, the residual strength static tests of composite laminates containing circular holes have been performed to investigate the effects of fiber orientation structure on open hole strength. The point stress criterion using a characteristic length is used to predict the open hole strength. The finite element analysis has been used to validate the analytical method. From the test results, it is shown that the characteristic length is related to the percentage of 0°, ±45° and 90° plies of the laminate. And regression analysis has performed to determine the characteristic length and strength of no hole specimens on the arbitrary layup pattern.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.10a
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pp.88-91
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2002
The two dimensional size effect of specimen gauge section (length x width) was investigated on the compressive behavior of a T300/924 [45/-45/0/90]3s, carbon fiber-epoxy laminate. A modified ICSTM compression test fixture was used together with an anti-buckling device to test 3mm thick specimens with a 30$\times$30, 50$\times$50, 70$\times$70, and 90mm$\times$90mm gauge length by width section. In all cases failure was sudden and occurred mainly within the gauge length. Post failure examination suggests that $0^{\circ}$ fiber microbuckling is the critical damage mechanism that causes final failure. This is the matrix dominated failure mode and its triggering depends very much on initial fiber waviness. It is suggested that manufacturing process and quality may play a significant role in determining the compressive strength. When the anti-buckling device was used on specimens, it was showed that the compressive strength with the device was slightly greater than that without the device due to surface friction between the specimen and the device by pretoque in bolts of the device. In the analysis result on influence of the anti-buckling device using the finite element method, it was found that the compressive strength with the anti-buckling device by loaded bolts was about 7% higher than actual compressive strength. Additionally, compressive tests on specimen with an open hole were performed. The local stress concentration arising from the hole dominates the strength of the laminate rather than the stresses in the bulk of the material. It is observed that the remote failure stress decreases with increasing hole size and specimen width but is generally well above the value one might predict from the elastic stress concentration factor. This suggests that the material is not ideally brittle and some stress relief occurs around the hole. X-ray radiography reveals that damage in the form of fiber microbuckling and delamination initiates at the edge of the hole at approximately 80% of the failure load and extends stably under increasing load before becoming unstable at a critical length of 2-3mm (depends on specimen geometry). This damage growth and failure are analysed by a linear cohesive zone model. Using the independently measured laminate parameters of unnotched compressive strength and in-plane fracture toughness the model predicts successfully the notched strength as a function of hole size and width.
Recently, development of a small aircraft has been carried out for the BASA(Bilateral Aviation Safety Agreement) program in Korea. This aircraft adopted all composite structures for environmental friendly by low fuel consumption due to its lightness behavior. However the composite structure has disadvantage which is very weak against impact damages. Therefore, damage allowable design of aircraft structure must be performed considering compressive fracture strength. This point is very important for certification of composite structure aircraft. In this paper, it is performed the research on damage tolerance of thick laminate adopting aircraft structure. The damage tolerance of three different types of thick laminates such as no damage, open hole and impact damage is evaluated under compression loading.
Kim, Myung-Jun;Park, Sung-Ho;Park, Jung-Sun;Lee, Woo-Il;Kim, Min-Sung
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.1
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pp.17-24
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2013
In this paper, a micro-mechanical failure prediction program is developed based on SIFT (Strain Invariant Failure Theory) by using the multi-scale modeling method for fiber-reinforced composite materials. And the failure analysis are performed for open-hole composite laminate specimen in order to verify the developed program. First of all, the critical strain invariants are obtained through the tensile tests for three types of specimens. Also, the matrices of strain amplification factors are determined through the finite element analysis for micro-mechanical model, RVE (Representative Volume Element). Finally, the microscopic failure analysis is performed for the open-hole composite laminate specimen model by applying a failure load obtained from tensile test, and the predicted failure indices are evaluated for verification of the developed program.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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