The fiber reinforced composite material is widely used in the multi-industrial field where the weight reduction of the infrastructure is demanded because of their high specific modulus and specific strength. Pressure vessels using this composite material have two main merits which are to cut down energy by reducing weight and to have long-term life due to corrosion resistance. In this paper, we developed optimal design module of laminate for CNG composite pressure vessel winding E-glass/epoxy based on Von-Mises yield criterion, Tsai-Hill theory and stress ratio using finite element method and ANSYS RSM(Response Surface Method).
Zarandi, Somayeh Bagherinejad;Wang, Yun-Che;Novozhilova, Olga V.
Structural Engineering and Mechanics
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v.58
no.4
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pp.731-743
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2016
Plastic behaviors, based on the von Mises yield criterion, of circular discs containing a purely elastic, circular inclusion under uniform temperature loading are studied with the finite element analysis. Temperature-dependent mechanical properties are considered for the matrix material only. In addition to analyzing the plane stress and plane strain disc, a 3D thin disc and cylinder are also analyzed to compare the plane problems. We determined the elastic irreversible temperature and global plastic collapse temperature by the finite element calculations for the plane and 3D problem. In addition to the global plastic collapse, for the elastically hard case, the plane stress problem and 3D thin disc may exhibit a local plastic collapse, i.e. significant pile up along the thickness direction, near the inclusion-matrix interface. The pileup cannot be correctly modeled by the plane stress analysis. Furthermore, due to numerical difficulties originated from large deformation, only the lower bound of global plastic collapse temperature of the plane stress problem can be identified. Without considerations of temperature-dependent mechanical properties, the von Mises stress in the matrix would be largely overestimated.
This paper presents the strength safety of a hydrogen gas composite fuel tank, which is analyzed using a FEM based on the criterion of US DOT-CFFC and Korean Standard. A hydrogen gas composite tank in which is fabricated by an aluminum liner of 6061-T6 material and carbon fiber wound composite layers of T800-24K is charged with a filling pressure of 70MPa and a gas storage capacity of 130 liter. The FEM results indicated that von Mises stress, 255.2MPa of an aluminum liner inner tank is low compared with that of 95% yield strength, 272MPa. And a carbon fiber stress ratio of a composite fuel tank is 3.11 in hoop direction and 3.04 in helical direction. These data indicate that a carbon fiber gas tank is safe in comparison to that of a recommended criterion of 2.4 stress ratio. Thus, the proposed composite tank with 130 liter capacity and 70MPa filling pressure is usable in strength safety.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.1
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pp.42-48
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2011
To define ice as a solid material, mathematical and physical characteristics and their application examples are investigated for several materials' yield functions which include isotropic elastic, isotropic elastic-plastic, classical Drucker-Prager, Drucker-Prager Cap, Heinonen's elliptic, Derradji-Aouat's elliptic, and crushable foam models. Taking into account brittle failure mode of ice subject to high loading rate or extremely low temperature, isotropic elastic model can be better practicable than isotropic elastic-plastic model. If a failure criterion can be properly determined, the elastic model will provide relatively practicable impact force history from ice-hull interactions. On the other hand, it is thought that the soil models can better predict the ice spalling mechanism, since they contain both terms of shear stress-induced and hydrostatic stress-induced failures in the yield function.
In this paper, time-continuous constitutive equations for strain rate-dependent materials are presented first, among which those for the overstress and the consistency viscoplastic models are considered. By allowing the stress states to be outside the yield surface, the overstress viscoplastic model directly defines the flow rule for viscoplastic strain rate. In comparison, a rate-dependent yield surface is defined in the consistency viscoplastic model, so that the standard Kuhn-Tucker loading/unloading condition still remains true for rate-dependent plasticity. Based on the formulation of the consistency viscoplasticity, a computational elasto-viscoplastic constitutive model is proposed for the short fiber-reinforced fresh cementitious paste for extrusion purpose. The proposed constitutive model adopts the von-Mises yield criterion, the associated flow rule and nonlinear strain rate-hardening law. It is found that the predicted flow stresses of the extrudable fresh cementitious paste agree well with experimental results. The rate-form constitutive equations are then integrated into an incremental formulation, which is implemented into a numerical framework based on ANSYS/LS-DYNA finite element code. Then, a series of upsetting and ram extrusion processes are simulated. It is found that the predicted forming load-time data are in good agreement with experimental results, suggesting that the proposed constitutive model could describe the elasto-viscoplastic behavior of the short fiber-reinforced extrudable fresh cementitious paste.
The effect of the initial imperfections on the nonlinear behaviors and ultimate strength of the thin-walled members subjected to the axial loads, obtained by the finite element stability analysis, are examined. As the initial imperfections, the bucking mode shapes of the members are adopted. The buckling mode shapes of the thin-walled members are obtained by the transfer matrix method. In the finite element stability analysis, isoparametric degenerated shell element is used, and the geometrical and material nonlinearity are considered based on the Green Lagrange strain definition and the Prandtl-Reuss stress-strain relation following the von Mises yield criterion. The U-, box- and I-section members subjected to the axial loads are adopted for numerical examples, and the effects of the initial imperfections on the nonlinear behaviors and ultimate strength of the members are examined.
A 3-node 3D co-rotational beam element using vectorial rotational variables is employed to consider the geometric nonlinearity in 3D space. To account for shape versatility and reinforced concrete cross-sections, fibre model has been derived and conducted. Numerical integration over the cross-section is performed, considering both normal and shear stresses. In addition, the derivations associated with material nonlinearity are given in terms of elasto-plastic incremental stress-strain relationship for both steel and concrete. Steel reinforcement is treated as elasto-plastic material with Von Mises yield criterion. Compressive concrete behaviour is described by Modified Kent and Park model, while tensile stiffening effect is taken into account as well. Through several numerical examples, it is shown that the proposed 3D co-rotational beam element with fibre model can be used to simulate steel and reinforced concrete framed structures with satisfactory accuracy and efficiency.
In this study, the stress concentration phenomenon for the dissimilar joints(ceramic-metal) bonded by thermal treating using a soft-insert metal(copper) was investigated with the aid of FEM(finite element method) under the load condition of uniform tension. The analysis was carried out by the supposing that stress states are plane stress or plane strain and elastic or elastic-plastic. And the Von Mises yield criterion and the incremental theory as plastic flow were adopted in this analysis. As the summarized results obtained, the stress concentration phenomenon was severer as the soft insert metal was thicker, in plane strain than in plane stress and in elastic-plastic state than in elastic state. Furthermore, the inducing mechanism of stress concentration was well expressed by the constraint forces(Fc) generated between the soft and the hard material.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.1557-1560
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2003
This paper presents the effect of varying boundary conditions such as ground subsidence on failure prediction of buried pipelines. The first order Taylor series expansion of the limit state function is used in order to estimate the probability of failure associated with three cases of ground subsidence. We estimate the distribution of stresses imposed on the buried pipelines by varying boundary conditions and calculate the probability of pipelines with von-Mises failure criterion. The effects of random variables such as pipe diameter, internal pressure, temperature, settlement width, load for unit length of pipelines, material yield stress and thickness of pipeline on the failure probability of the buried pipelines are also systematically studied by using a failure probability model for the pipeline crossing a ground subsidence region.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.4
no.6
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pp.12-19
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2003
This paper presents the effect of boundary conditions in various failure pressure models published for the estimation of failure pressure. Furthermore, this approach is extended to the failure prediction with the aid of a failure probability model. The first order Taylor series expansion of the limit state function is used in order to estimate the probability of failure associated with each corrosion defect in buried pipelines for long exposure period with unit of years. A failure probability model based on the von-Mises failure criterion is adapted. The log-normal and standard normal probability functions for varying random variables are adapted. The effects of random variables such as defect depth, pipe diameter, defect length, fluid pressure, corrosion rate, material yield stress, material ultimate tensile strength and pipe thickness on the failure probability of the buried pipelines are systematically investigated for the corrosion pipeline by using an adapted failure probability model and varying failure pressure model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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