In this paper, a Taguchi-based finite element method (FEM) has been proposed and implemented to assess optimal design parameters for minimum static deflection in laminated composite plate. An orthodox mathematical model (based on higher-order shear deformation plate theory and Green-Lagrange geometrical nonlinearity) has been used to compute the nonlinear central deflection values of laminated composite plates according to Taguchi design of experiment via a self-developed MATLAB computer code. The lay-up scheme, aspect ratio, thickness ratio and the support conditions of the laminated composite plate structure were designated as the governable design parameters. Analysis of variance (ANOVA) is used to investigate the effect of diverse control factors on the nonlinear static responses. Moreover, regression model is developed for predicting the desired responses. The ANOVA revealed that the lay-up scheme alongside the support condition plays vital role in minimizing the central deflection values of laminated composite plate under uniformly distributed load. The conformity test results of Taguchi analysis are also in good agreement with the numerical experimentation results.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.11
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pp.5947-5955
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2013
This study was intended to estimate the axial deformation of joint between pavement modules in the rapid-constructible modular pavement system, and to investigate the applicability of two-phase composites for a joint material, which was composed of cement paste, epoxy, or polyurethane as a matrix and sand as particles. A case which had supports under the pavement module as well as a case which the module was put on roadbed directly were considered in FEM analysis for the axial deformation. The effect of self-weight, live load, thermal change, and drying shrinkage were estimated and the thermal change was found to cause the largest deformation compared to the others. Deformation capacity of two-phase composites was predicted using the modified shear-lag model. In the analytical results for the elastic modulus and maximum tensile strain with different volume fractions of sand, 20~30 % replacement of sand was revealed to satisfy the required strain capacity with economy when if the width of joint was designed to be 15~20 mm.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.7
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pp.1738-1750
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1994
Both cylindrical cup drawing and square cup drawing are analyzed using membrane analysis as well as shell analysis by the elastic-plastic finite element method. An incremental formulation incorporating the effect of large deformation and normal anisotropy is used for the analysis of elastic-plastic non-steady deformation. The computed results are compared with the existing experimental results to show the validity of the analysis. Comparisons are made in the punch load and distribution of thickness strain between the membrane analysis and the shell analysis for both cylindrical and square cup drawing processes. In punch load, both analyses show very little difference and also show generally good agreement with the experiment. For the cylindrical cup deep drawing, the computed thickness strain of a membrane analysis, however, shows a wide difference with the experiment. In the shell analysis, the thickness strain shows good agrement with the experiment. For the square cup deep drawing, both membrane and shell analyses show a wide difference with experiment, this may be attributable to the ignorance of the shear deformation. Concludingly, it has been shown that the membrane approach shows a limitation for the deep drawing process in which the effect of bending is not negligible and more exact information on the thickness strain distribution is required.
Cast in situ and grouted concrete helical piles with 150-200 mm diameter half cylindrical ribs have become an economical and effective choice in Shanghai, China for uplift piles in deep soft soils. Though this type of pile has been successful used in practice, the reinforcing mechanism and the contribution of the ribs to the total resistance is not clear, and there is no clear guideline for the design of such piles. To study the inclusion of ribs to the contribution of shear resistance, the shear behaviour between silty sand and concrete slabs with parallel ribs at different spacing and angles were tested in a large direct shear box ($600mm{\times}400mm{\times}200mm$). The front panels of the shear box are detachable to observe the soil deformation after the test. The tests were modelled with three-dimensional finite element method in ABAQUS. It was found that, passive zones can be developed ahead of the ribs to form undulated failure surfaces. The shear resistance and failure mode are affected by the ratio of rib spacing to rib diameter. Based on the shape and continuity of the failure zones at the interface, the failure modes at the interface can be classified as "punching", "local" or "general" shear failure respectively. With the inclusion of the ribs, the pull out resistance can increase up to 17%. The optimum rib spacing to rib diameter ratio was found to be around 7 based on the observed experimental results and the numerical modelling.
We investigated complex damped modes in beams in the presence of a viscoelastic layer sandwiched between two elastic layers. The problem was solved using two approaches, (1) Rayleigh beam theory and analyzed using the Ritz method, and (2) by using 2D plane stress elasticity based finite-element method. The damping in the layers was modeled using the complex modulus. Simply-supported, cantilever, and viscously supported boundary conditions were considered in this study. Simple trigonometric functions were used as admissible functions in the Ritz method. The key idea behind sandwich structure is to increase damping in a beam as affected by the presence of a highly-damped core layer vibrating mainly in shear. Different assumptions are utilized in the literature, to model shear deformation in the core layer. In this manuscript, we used FEM without any kinematic assumptions for the transverse shear in both the core and elastic layers. Moreover, numerical examples were studied, where the base and constraining layers were also damped. The loss factor was calculated by modal strain energy method, and by solving a complex eigenvalue problem. The efficiency of the modal strain energy method was tested for different loss factors in the core layer. Complex mode shapes of the beam were also examined in the study, and a comparison was made between viscoelastically and viscously damped structures. The numerical results were compared with those available in the literature, and the results were found to be satisfactory.
In case of Mindlin plate, not only the bending deformation but also the shear behavior is allowed. While the bending and shear stiffness are given in the same order in terms of elastic modulus, they are in different order in case of plate thickness. Accordingly, bending and shear contributions have to be dealt with independently if the stochastic finite element analysis is performed on the Mindlin plate taking into account of the uncertain plate thickness. In this study, a formulation is suggested to give the response variability of Mindlin plate taking into account of the uncertainties in elastic modulus as well as in the thickness of plate, a geometrical parameter, and their correlation. The cubic function of thickness and the correlation between elastic modulus and thickness are incorporated into the formulation by means of the modified auto- and cross-correlation functions, which are constructed based on the general formula for n-th joint moment of random variables. To demonstrate the adequacy of the proposed formulation, a plate with various boundary conditions is taken as an example and the results are compared with those obtained by means of classical Monte Carlo simulation.
The present paper treats the free vibration problem of the masonry wall strengthened with thin composite plate by viscoelastic adhesive layer. For this goal two steps are considered in the analytical solution. In the first one, an efficient homogenisation procedure is given to provide the anisotropic properties of the masonry wall. The second one is dedicated to purpose simplified mathematical models related to both in-plane and out-of-plane vibration problems. In these models, the higher order shear theories (HSDT's) are employed for a more rigours description of the shear deformation trough the masonry wall and the composite sheet. Ritz's method is deployed as solution strategy in order to get the natural frequencies and their corresponding loss factors. The obtained results are validated with the finite element method (FEM) and then, a parametric study is undertaken for different kinds of masonry walls strengthened with composite sheets.
Kim, Jun Soo;Kim, Seong Jong;Lee, Hyuk;Ha, Sung Kyu;Lee, Young-Hyun
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.12
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pp.1547-1557
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2013
A forced vibration model of a rail system was established using the Timoshenko beam theory to determine the dynamic response of a rail under time-varying load considering the damping effect and stiffness of the elastic foundation. By using a Fourier series and a numerical method, the critical velocity and dynamic response of the rail were obtained. The forced vibration model was verified by using FEM and Euler beam theory. The permanent deformation of the rail was predicted based on the forced vibration model. The permanent deformation and wear were observed through the experiment. Parametric studies were then conducted to investigate the effect of five design factors, i.e., rail cross-section shape, rail material density, rail material stiffness, containment stiffness, and damping coefficient between rail and containment, on four performance indices of the rail, i.e., critical velocity, maximum deflection, maximum longitudinal stress, and maximum shear stress.
In this paper, a novel semi-energy finite strip method (FSM) is developed based on the concept of first order shear deformation theory (FSDT) in order to attempt the post-buckling solution for thin and relatively thick functionally graded (FG) plates under uniform end-shortening. In order to study the effects of through-the-thickness shear stresses on the post-buckling behavior of FG plates, two previously developed finite strip methods, i.e., semi-energy FSM based on the concept of classical laminated plate theory (CLPT) and a CLPT full-energy FSM, are also implemented. Moreover, the effects of aspect ratio on initial post-buckling stiffness of FG rectangular plates are studied. It has been shown that the variation of the ratio of initial post-buckling stiffness to pre-buckling stiffness ($S^*/S$) with respect to aspects ratios is quite independent of volume fractions of constituents in thin FG plates. It has also been seen that the universal curve representing the variation of ($S^*/S$) with aspect ratio of a FG plate demonstrate a saw shape curve. Moreover, it is revealed that for the thin FG plates in contrast to relatively thick plates, the variations of non-dimensional load versus end-shortening is independent of ceramic-metal volume fraction index. This means that the post-buckling behavior of thin FG plates and the thin pure isotropic plates is similar. The results are discussed in detail and compared with those obtained from finite element method (FEM) of analysis. The study of the results may have a great influence in design of FG plates encountering post-buckling behavior.
We present a multi-step cold drawing for a non-equiatomic Co10Cr15Fe25Mn10Ni30V10 high entropy alloy (HEA) with a simple face-centered cubic (FCC) crystal structure. The distribution of strain in the cold-drawn Co10Cr15Fe25Mn10Ni30V10 HEA wires was analyzed by the finite element method (FEM). The effective strain was expected to be higher as it was closer to the surface of the wire. However, the reverse shear strain acted to cause a transition in the shear strain behavior. The critical effective strain at which the shear strain transition behavior is completely shifted was predicted to be 4.75. Severely cold-drawn Co10Cr15Fe25Mn10Ni30V10 HEA wires up to 96% of the maximum cross-sectional reduction ratio were successfully manufactured without breakage. With the assistance of electron back-scattering diffraction and transmission electron microscope analyses, the abundant deformation twins were found in the region of high effective strain, which is a major strengthening mechanism for the cold-drawn Co10Cr15Fe25Mn10Ni30V10 HEA wire.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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