In this paper, static perforation tests are conducted to predict the penetration energy for the composite laminates subjected to high velocity impact. Three methods are used to analyze the perforation energy accurately. The first method is to select the perforation point using the AE sensor signal energy, the second method is to retest the tested specimen and use the difference between initial and retested perforation energy, and the third method is to select the perforation point based on the maximum loading point in the retested load-displacement curve of the tested specimen. The predicted perforation energy results are presented and verified by comparing with those by the high velocity tests.
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.
The ballistic limit of Carbon/Epoxy composite laminates with the finite effective area are predicted by using the quasi-static perforation test and semi-empirical formula. The perforation energy were calculated from force-displacement curve in quasi-static perforation test. Also, the actual ballistic limit and penetration energy were obtained through the high-velocity impact test. The quasi-static perforation test and high-velocity impact test were conducted for the specimens with 3 different effective areas. In the high-velocity impact test, the air gun impact tester were used, and the ballistic and residual velocity was measured. The required inputs for the semi-empirical formula were determined by the quasi-static perforation tests and high-velocity impact tests. The comparison between semi-empirical formula and high-velocity impact test results were conducted and examined. The ballistic limits predicted by semi-empirical formula were agreed well with high-velocity impact test results.
In this paper, the behavior of woven E-glass fabric composite laminate was experimentally investigated under quasi-static indentation and high velocity impact by flat-ended, hemispherical, conical (cone angle of $37^{\circ}$ and $90^{\circ}$) and ogival (CRH of 1.5 and 2.5) cylindrical perforators. Moreover, the results are compared in order to explore the possibility of extending quasi-static indentation test results to high velocity impact test results in different characteristics such as perforation mechanisms, performance of perforators, energy absorption, friction force, etc. The effects of perforator nose shape, nose length and nose-shank connection shapes were investigated. The results showed that the quasi-static indentation test has a great ability to predict the high velocity impact behavior of the composite laminates especially in several characteristics such as perforation mechanisms, perforator performance. In both experiments, the highest performance occurs for 2.5 CRH projectile and the lowest is related to blunt projectiles. The results show that sharp perforators indicate lower values of dynamic enhancement factor and the flat-ended perforator represents the maximum dynamic enhancement factor among other perforators. Moreover, damage propagation far more occurred in high velocity impact tests then quasi-static tests. The highest damage area is mostly observed in ballistic limit of each projectile which projectile deviation strongly increases this area.
Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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2004.04a
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pp.95-99
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2004
This paper describe inner-collision-characteristics of the ship structural plates when the projectile collides with plate-material using LS-DYNA3D which is general and useful finite element analysis tool in collision problem fields. The series analyses were carried out from high speed(41.56m/s-118.9m/s) to ultrahigh speed(544.05m/s-800m/s). Through these analyses we can approach empirical formula to estimate penetration limit of the ship structural plates with which the projectile of various speed collides.
The evaluation and prediction for the absorbed energy, residual velocity, and impact damage are the key things to characterize the impact behavior of composite laminated panel subjected to high-velocity impact. In this paper, the method to predict the residual velocity and the absorbed energy of Carbon/Epoxy laminated panel subjected to high velocity impact are proposed and examined by using quasi-static perforation test and high-velocity impact test. Total absorbed energy of specimen due to the high-velocity impact can be grouped with static energy and kinetic energy. The static energy are consisted of energy due to the failure of the fiber and matrix and static elastic energy, which are related to the quasi-static perforation energy. The kinetic energy are consisted of kinetic energy of moving part of specimen, which are modelled by three modified kinetic model. The high-velocity impact test were conducted by using air gun impact facility and compared with the predicted values. The damage area of specimen were examined by C-scan image. In the high initial impact velocity above the ballistic limit, both the static energy and the kinetic energy are known to be the major contribution of the total absorbed energy.
Monsef Ahmadi, H.;Sheidaii, M.R.;Tariverdilo, S.;Formisano, A.;De Matteis, G.
Earthquakes and Structures
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v.20
no.4
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pp.377-388
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2021
Thin perforated Steel Plate Shear Walls (SPSWs) are among the most common types of seismic energy dissipation systems to protect the main boundary components of SPSWs from fatal fractures in the high-risk zones. In this paper, the cyclic behavior of the different circular hole patterns under cyclic loading is reported. Based on the experimental results, it can be concluded that a change in the perforation pattern of the circular holes leads to a change in the locations of the fracture tendency over the web plate, especially at the plate-frame interactions. Accordingly, the cyclic responses of the tested specimens were simulated by finite element method using the ABAQUS package. Likewise, perforated shear panels with a new perforation pattern obtained by implementing Topology Optimization (TO) were proposed. It was found that the ultimate shear strength of the specimen with the proposed TO perforation pattern was higher than that of the other specimens. In addition, theoretical equations using the Plate-Frame Interaction (PFI) method were used to predict the shear strength and initial stiffness of the considered specimens. The theoretical results showed that the proposed reduced coefficients relationships cannot accurately predict the shear strength and initial stiffness of the considered perforated shear panels. Therefore, the reduced coefficients should be adopted in the theoretical equations based on the obtained experimental and numerical results. Finally, with the results of this study, the shear strength and initial stiffness of these types of perforated shear panels can be predicted by PFI method.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.3
no.5
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pp.38-46
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1995
In this paper, an experimental study on the effects of the impact damage and the perforation characteristic of CFRP laminates with different fiber stacking orientation and ply number was done through an observation of interrelations between the impact energy vs. transmitted energy and the impact energy vs. absorbed energy per unit volume. The velocities of the ball before or after impact are measured by the high-speed camera. And when CFRP laminates are subjected to tranverse impact by a steel ball(${\phi}10$), the delamination shapes generated by impact damage are observed by using SAM (Scanning acoustic Microscope).
In nanosized structures as the surface area to the bulk volume ratio increases the classical continuum mechanics approaches fails to investigate the mechanical behavior of such structures. In perforated nanobeam structures, more decrease in the bulk volume is obtained due to perforation process thus nonclassical continuum approaches should be employed for reliable investigation of the mechanical behavior these structures. This article introduces an analytical methodology to investigate the size dependent, surface energy, and perforation impacts on the nonclassical bending behavior of regularly squared cutout nanobeam structures for the first time. To do this, geometrical model for both bulk and surface characteristics is developed for regularly squared perforated nanobeams. Based on the proposed geometrical model, the nonclassical Gurtin-Murdoch surface elasticity model is adopted and modified to incorporate the surface energy effects in perforated nanobeams. To investigate the effect of shear deformation associated with cutout process, both Euler-Bernoulli and Timoshenko beams theories are developed. Mathematical model for perforated nanobeam structure including surface energy effects are derived in comprehensive procedure and nonclassical boundary conditions are presented. Closed forms for the nonclassical bending and rotational displacements are derived for both theories considering all classical and nonclassical kinematics and kinetics boundary conditions. Additionally, both uniformly distributed and concentrated loads are considered. The developed methodology is verified and compared with the available results and an excellent agreement is noticed. Both classical and nonclassical bending profiles for both thin and thick perforated nanobeams are investigated. Numerical results are obtained to illustrate effects of beam filling ratio, the number of hole rows through the cross section, surface material characteristics, beam slenderness ratio as well as the boundary and loading conditions on the non-classical bending behavior of perforated nanobeams in the presence of surface effects. It is found that, the surface residual stress has more significant effect on the bending deflection compared with the corresponding effect of the surface elasticity, Es. The obtained results are supportive for the design, analysis and manufacturing of perforated nanobeams.
In this paper, the effect of different steel bar configurations on the quasi-static punching and impact response of concrete slabs was studied. A total of forty RC square slab specimens were cast in two groups of concrete strengths of 40 and 63 MPa. In each group of twenty specimens, ten specimens were reinforced at the back face (singly reinforced), and the remaining specimens were reinforced on both faces of the slab (doubly reinforced). Two rebar spacing of 25 and 100 mm, with constant reinforcement ratio and effective depth, were used in both singly and doubly reinforced slab specimens. The specimens were tested against the normal impact of cylindrical projectiles of hemispherical nose shape. Slabs were also quasi-statically tested in punching using the same projectile, which was employed for the impact testing. The experimental response illustrates that 25 mm spaced rebars are effective in (i) decreasing the local damage and overall penetration depth, (ii) increasing the absorption of impact energy, and (iii) enhancing the ballistic limit of RC slabs. The ballistic limit was predicted using the quasi-static punching test results of slab specimens showing a strong correlation between the dynamic perforation energy and the energy required for quasi-static perforation of slabs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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