The mechanical properties of polymeric composites are degraded under elevated temperatures due to the effect of temperature on the mechanical behavior of the resin and resin fiber interfaces. In this study, the effect of temperature on the impact response of the carbon fiber reinforced plastics (CFRP) was investigated at low-velocity impact (LVI) using a drop-weight impact tester machine. All the composite plates were fabricated using a vacuum infusion process with a stacking sequence of [45/0_2/-45/90_2]s, and a thickness of 2.9 mm. A group of the specimens was exposed to an environment with a temperature cycling at the range of -30 ℃ to 65 ℃. In addition, three other groups of the specimens were aged at ambient (28 ℃), -30 ℃, and 65 ℃ for ten days. Then all the conditioned specimens were subjected to LVI at three energy levels of 10, 15, and 20 J. To assess the behavior of the damaged composite plates, the force-time, force-displacement, and energy-time diagrams were analyzed at all temperatures. Finally, radiography, optical microscopy, and scanning electron microscopy (SEM) were used to evaluate the effect of the temperature and damages at various impact levels. Based on the results, different energy levels have a similar effect on the LVI behavior of the samples at various temperatures. Delamination, matrix cracking, and fiber failure were the main damage modes. Compared to the samples tested at room temperature, the reduction of temperature to -30 ℃ enhanced the maximum impact force and flexural stiffness while decreasing the absorbed energy and the failure surface area. The temperature increasing to 65 ℃ increased the maximum impact force and flexural stiffness while decreasing the absorbed energy and the failure surface area. Applying 200 thermal cycles at the range of -30 ℃ to 65 ℃ led to the formation of fine cracks in the matrix while decreasing the absorbed energy. The maximum contact force is recorded under cyclic temperature as 5.95, 6.51 and 7.14 kN, under impact energy of 10, 15 and 20 J, respectively. As well as, the minimum contact force belongs to the room temperature condition and is reported as 3.93, 4.94 and 5.71 kN, under impact energy of 10, 15 and 20 J, respectively.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2009.11a
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pp.439-442
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2009
In this study, the residual strength of CFRP filament winding pressure vessel after low velocity impact was evaluated quantitatively. After impact test, the pressure vessel was sectioned to produce 25 mm-wide ring specimen and the bursting pressure of this specimen was measured. A finite element model was also fabricated to investigate the deformation and stress distribution characteristics of the impacted CFRP vessel. The degradation of the residual strength along with the increase of impact energy was successfully measured and reviewed.
In this paper, the shock waves in compressible solids and liquids are simulated using a six-equation diffuse interface multiphase flow model that is extended to the Cochran and Chan equation of state. A pressure relaxation method based on a volume fraction function and a pressure-correction equation are newly implemented to the six-equation model. The developed code has been validated by a shock tube problem with liquid nitromethane and an impact problem of a copper plate on a solid explosive. In addition, a new problem, an impact of a copper plate on liquid nitromethane, has been solved. The present code well shows the wave structures in compressible solids and liquids without any numerical oscillations and overshoots. After the impact of a solid copper plate on liquid, two shock waves (one propagates into liquid and the other into solid) are generated and a material interface moves to the impacting direction. The computational results show that the shock velocity inside the liquid linearly increases with the impact velocity.
Usually many researchers have used the modified Hertzian contact law or experimental static indentation law to analyze impact response of composite laminates subjected to the low-velocity impact. In this study, physical meaning of the method using the laws was investigated and the difference between the analytical results obtained using the laws was also investigated. Furthermore parametric study on contact constant and exponent in the contact law was performed. Finally it was shown that a linearized contact law can be well applied to low-velocity impact response analysis of composite laminates. If this concept is used, commercial finite element software can be used to solve impact problem without making any auxiliary code.
A theoretical energy-based model to capture the mechanical response of thick woven composite laminates, which are used in such applications as maritime or aerospace, to high-velocity impact was developed. The dependences of the impact phenomenon on material and geometrical parameters were analysed making use of the Vaschy-Buckingham Theorem to provide a non-dimensional framework. The model was divided in three different stages splitting the physical interpretation of the perforation process: a first where different dissipative mechanisms such as compression or shear plugging were considered, a second where a transference of linear momentum was assumed and a third where only friction took place. The model was validated against experimental data along with a 3D finite element model. The numerical simulations were used to validate some of the new hypotheses assumed in the theoretical model to provide a more accurate explanation of the phenomena taking place during a high-velocity impact.
Laminated composite plates are utilized extensively in different fields of construction and industry thanks to their advantages such as high stiffness-to-weight ratio. Additionally, they are characterized by their directional properties that permit the designer to optimize their stiffness for specific applications. This paper presents a numerical analysis and optimization study of plates made of composite subjected to low velocity impact. The main aim is to identify the optimum fiber orientations of the composite plates that resist low velocity impact load. First, a three-dimensional finite element model is built using LS DYNA computer software package to perform the impact analyses. The composite plate has been modeled using solid elements. The failure criteria of Tsai-Wu's criterion have been used to control the strength of the composite material. A good agreement has been found between the predicted numerical results and experimental results in the literature which validate the finite element model. Then, an Adaptive Simulated Annealing (ASA) has been used to optimize the response of impacted composite laminate where its objective is to maximize the safety factor by varying the ply angles. The results show that the ASA is robust in the sense that it is capable of predicting the best optimal designs.
In this study, finite element analysis of Carbon-Steel Laminates with different layup pattern was conducted to verify similarity to the results of previous studies and to develop the effective model for low-velocity impact analysis. As in the experiment, Finite element analysis of the Fiber metal laminates (FMLs) with five different lamination patterns was carried out, and the impact resistance of the FMLs was confirmed by comparing the energy absorption ratio. The FMLs showed the higher energy absorption ratio than the mild steel having the same thickness, and it was confirmed that all the FMLs had the high energy absorption ratio over than 96%. In addition, the low-velocity impact analysis model proposed in this study can be effectively used to study composite forms and automotive structures.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.40
no.3
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pp.281-288
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2016
The ballistic performance data of composite materials is distributed due to material inhomogeneity. In this paper, the uncertainty in residual velocity is obtained experimentally, and a method of predicting it is established numerically for the high-speed impact of a bullet into laminated composites. First, the failure strain distribution was obtained by conducting a tensile test using 10 specimens. Next, a ballistic impact test was carried out for the impact of a fragment-simulating projectile (FSP) bullet with 4ply ([0/90]s) and 8ply ([0/90/0/90]s) glass fiber reinforced plastic (GFRP) plates. Eighteen shots were made at the same impact velocity and the residual velocities were obtained. Finally, simulations were conducted to predict the residual velocities by using the failure strain distributions that were obtained from the tensile test. For this simulation, two impact velocities were chosen at 411.7m/s (4ply) and 592.5m/s (8ply). The simulation results show that the predicted residual velocities are in close agreement with test results. Additionally, the modeling of a composite plate with layered solid elements requires less calculation time than modeling with solid elements.
The existence of different thermodynamic properties results in various undesirable effects, such as thermal deformation and residual stress, in heat-welding processes. The solid-state junction, by using explosive or electromagnetic forces, i.e., high-velocity impact welding without employing heat is advantageous in joining materials with different thermodynamic properties. In the solid-state junction, the joining is performed within a short time, a high velocity and large deformations are accompanied by interfacial surfaces. The numerical analysis models play an important role in the understanding of the mechanism of high-velocity impact welding. However, in the analysis of high velocity and large deformations, the conventional Lagrangian method has low reliability due to the occurrence of entanglements. In this study, high-velocity impact welding between Cu and CP-Ti with different thermodynamic properties was performed using a un-gridded numerical method, SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), and interfacial morphology occurred. As a result of the analysis, the interfacial morphology was confirmed and the compared degree of shape (straight, vortex), period, length, and so on appeared differently depending on the relationship between the parameters (impact angle and speed).
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.11
no.3
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pp.227-233
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2010
In this study, a genetic algorithm was utilized to optimize the stacking sequence of a composite plate subjected to a high velocity impact. The aim is to minimize the maximum backplane displacement of the plate. In the finite element model, we idealized the impactor using solid elements and modeled the composite plate by shell elements to reduce the analysis time. Various tests were carried out to investigate the effect of parameters in the genetic algorithm such as the type of variables, population size, number of discrete variables, and mutation probability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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