Carbon fiber has excellent specific strength, corrosion resistance and heat resistance. And p-Aramid fiber has high toughness and heat resistance and high elasticity, and is used in various fields such as industrial protective materials, bulletproof helmets and vests, as well as industrial fields. However, carbon fiber is relatively expensive, and is susceptible to brittle fracture behavior due to its low fracture strain. On the other hand, the aramid fiber tends to decrease in elastic modulus and strength when applied to the epoxy matrix, but it is inexpensive and has higher elongation and fracture toughness than carbon fiber. Thus the twill hybrid carbonaramid fiber reinforced composite laminate composite was investigated for a delamination fracture toughness under Mode I loading by 2 kinds of MBT and MCC deduction. The specimen was fabricated with 20 hybrid fabric plies. The initial crack was made by inserting the teflon tape in the center plane with a0/W=0.5 length. The results show that SERR(Strain Energy Release Rate) as the critical and stable delamination fracture toughness were 0.09 kJ/㎡, 0.386 kJ/㎡ by MBT deduction, and 0.192 kJ/㎡, 0.67 kJ/㎡ by MCC deduction, respectively.
The present paper reports an analytical study of delamination fracture in the Mixed Mode Flexure (MMF) functionally graded beam with considering the material non-linearity. The mechanical behavior of MMF beam is modeled by using a non-linear stress-strain relation. It is assumed that the material is functionally graded along the beam height. Fracture behavior is analyzed by the J-integral approach. Non-linear analytical solution is derived of the J-integral for a delamination located arbitrary along the beam height. The J-integral solution derived is verified by analyzing the strain energy release rate with considering the non-linear material behavior. The effects of material gradient, crack location along the beam height and material non-linearity on the fracture are evaluated. It is found that the J-integral value decreases with increasing the upper crack arm thickness. Concerning the influence of material gradient on the non-linear fracture, the analysis reveals that the J-integral value decreases with increasing the ratio of modulus of elasticity in the lower and upper edge of the beam. It is found also that non-linear material behavior leads to increase of the J-integral value. The present study contributes for the understanding of fracture in functionally graded beams that exhibit material non-linearity.
This work focuses on the behavior of non-local shear deformation beam theory for the vibration of functionally graded (FG) nanobeams with porosities that may occur inside the functionally graded materials (FG) during their fabrication, using the non-local differential constitutive relations of Eringen. For this purpose, the developed theory accounts for the higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the nanobeam. The material properties of the FG nanobeam are assumed to vary in the thickness direction. The equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions are presented for a simply supported FG nanobeam with porosities. The validity of this theory is verified by comparing some of the present results with other higher-order theories reported in the literature, the influence of material parameters, the volume fraction of porosity and the thickness ratio on the behavior mechanical P-FGM beam are represented by numerical examples.
In this paper, a new semi-analytical solution for estimating the pull-in parameters of electrically actuated functionally graded (FG) nanobeams is proposed. All the bulk and surface material properties of the FG nanoactuator vary continuously in thickness direction according to power law distribution. Here, the modified couple stress theory (MCST) and Gurtin-Murdoch surface elasticity theory (SET) are jointly employed to capture the size effects of the nanoscale beam in the context of Euler-Bernoulli beam theory. According to the MCST and SET and accounting for the mid-plane stretching, axial residual stress, electrostatic actuation, fringing field, and dispersion (Casimir or/and van der Waals) forces, the nonlinear nonclassical equation of motion and boundary conditions are obtained derived using Hamilton principle. The proposed semi-analytical solution is derived by employing Galerkin method in conjunction with the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The proposed solution approach is validated with the available literature. The freestanding behavior of nanoactuators is also investigated. A parametric study is conducted to illustrate the effects of different material and geometrical parameters on the pull-in response of cantilever and doubly-clamped FG nanoactuators. This model and proposed solution are helpful especially in mechanical design of micro/nanoactuators made of FGMs.
International Journal of Reliability and Applications
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v.17
no.2
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pp.137-147
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2016
The engine mount of a car subjected to a pre-load related to the weight of the engine, and acts to insulate the vibration coming from the engine by moving on large or small displacement depending on the driving condition of the car. The vibration insulation of the engine mount is an effect obtained by dissipating the mechanical energy into heat by the viscosity characteristic of the rubber and the microscopic behavior of the additive carbon black. Therefore, dynamic stiffness from the intrinsic properties of rubber filled with carbon black at the design stage is an important design consideration. In this paper, we introduced a hyper-elastic, visco-elastic and elasto-plastic model to predict the dynamic characteristics of rubber, and developed a fitting program to determine the material model parameters using MATLAB. The dynamic characteristics analysis of the rubber insulator of the ACTIVE MOUNT was carried out by using MSC.MARC nonlinear structural analysis software, which provides the dynamic characteristics material model. The analysis results were compared with the dynamic characteristics test results of the rubber insulator, which is one of the active mount components, and the analysis results were confirmed to be valid.
Analytical formulations and solutions for the first time, to the stability analysis of a simply supported composite and sandwich plates based on a higher order refined theory, developed by the first author and already reported in the literature are presented. The theoretical model presented herein incorporates laminate deformations which account for the effects of transverse shear deformation, transverse normal strain/stress and a nonlinear variation of inplane displacements with respect to the thickness coordinate - thus modelling the warping of transverse cross sections more accurately and eliminating the need for shear correction coefficients. The equations of equilibrium are obtained using the Principle of Minimum Potential Energy (PMPE). The comparison of the results using this higher order refined theory with the available elasticity solutions and the results computed independently using the first order and the other higher order theories developed by other investigators and available in the literature shows that this refined theory predicts the critical buckling load more accurately than all other theories considered in this paper. New results for sandwich laminates are also presented which may serve as a benchmark for future investigations.
To investigate numerically the effect of all parameters on the outcome of an aircraft impact into robust engineering structures like nuclear power plant containments is a tedious task. In order to reduce the problem to a manageable size, we propose a single dimensionless parameter, the damage potential, to characterize the main features of the impact. The damage potential, which is the ratio of the initial kinetic energy of the aircraft to the work required to crush it, enables us to find the crucial parameter settings that need to be modelled numerically in detail. We show in this paper that the damage potential is indeed the most important parameter of the impact that determines the time-dependent reaction force when either finite element (FE) modelling or the Riera model is applied. We find that parameters that do not alter the damage potential, like elasticity of the target, are of secondary importance and if parameters are altered in a way that the damage potential remains the same then the course of the impact remains similar. We show, however, that the maximum value of the reaction force can be higher in case of elastic targets than in case of rigid targets due to the vibration of the target. The difference between the Riera and FE model results is also found to depend on the damage potential.
Recent advances in the concrete technology are aiding in minimizing the use of conventional materials by substituting by-products of various industries and energy sources. A large amount of stone waste i.e., dust and slurry form both are being originated during natural stone processing and causing deadily effects on the environment. The disposal problem of stone waste can be resolved effectively by using waste in construction industries. In present work, Kota stone slurry powder, as a substitution of cement was used along with accelerators namely calcium nitrate and triethanolamine as additives, to study their impact on various properties of the concrete mixtures. Kota stone slurry powder (7.5%), calcium nitrate (1%) and triethanolamine (0.05%) were used separately as well in combination in different concrete mixtures. Mechanical Strength, modulus of elasticity and electrical resistivity of concrete specimens of different mix proportions under water curing were studied experimentally. The durability properties in terms of strength and electrical resistivity against sulphate and chloride solution attack at various curing ages were also studied experimentally. Results showed that accelerators and Kota stone slurry powder separately enhanced the mechanical strength and electrical resistivity; but, their combination decreased strength at all curing ages. The durability of concrete specimens was also affected under the exposure to chemical attack too. Kota stone slurry powder found to be the most effective material among all materials. Material characterization was also done to study the microstructural properties.
The choice of individual material for industrial application is primarily based on knowledge of its behavior in similar applications and similar environmental conditions. Contemporary design implies knowledge of material behavior and knowledge in the area of structural analysis supported by large capacity computers. Bearing this in mind, this paper presents and analyzes the experimental results related to the mechanical properties of the material considered (30CrNiMo8/1.6580/AISI 4340) at different temperatures as well as its creep and fatigue behavior. All experimental tests were carried out as uniaxial tests. The test results related to the mechanical properties are presented in the form of engineering stress-strain diagrams. The results related to the creep behavior of the material are shown in the form of creep curves, while the fatigue of the material is shown in the form of stress - life (S - N) diagram. Based on these experimental results, the values of the following properties are determined: ultimate tensile strength (${\sigma}_{m,20}=696MPa$), yield strength (${\sigma}_{0.2,20}=355.5MPa$), modulus of elasticity ($E_{,20}=217GPa$) and fatigue limit (${\sigma}_{f,20,R=-1}=280.4MPa$). Results related to fatigue tests were obtained at room temperature and stress ratio R = -1.
This study aimed to develop a method for the determination of the damaged story in reinforced concrete (RC) structure with ambient vibrations, based on modified jerk energy methodology. The damage was taken as a localized reduction in the stiffness of the structural member. For loading, random white noise excitation was used, and dynamic responses from the finite element model (FEM) of 4 story RC shear frame were extracted at nodal points. The data thus obtained from the structure was used in the damage detection and localization algorithm. In the structure, two damage configurations have been introduced. In the first configuration, damage to the structure was artificially caused by a local reduction in the modulus of elasticity. In the second configuration, the damage was caused, using the Elcentro1940 and Kashmir2005 earthquakes in real-time history. The damage was successfully detected if the frequency drop was greater than 5% and the mode shape correlation remained less than 0.8. The results of the damage were also compared to the performance criteria developed in the Seismostruct software. It is demonstrated that the proposed algorithm has effectively detected the existence of the damage and can locate the damaged story for multiple damage scenarios in the RC structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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