The Fiber/Metal Laminates (FMLs) have been developed as a new composite material for aerospace application to reduce weight and improve damage tolerance. In this study, firstly FMLs were manufactured and the tensile test was performed to investigate the mechanical properties of FMLs. Furthermore, impact behavior of the low velocity on FMLs which consisted of different types of aluminum or fiber/epoxy layers was tested by the drop weight impact tester based on the different impact energy conditions. The load-time and energy-time curves were employed to evaluate the impact performance of different specimens. Moreover, finite element analysis (FEA) was also performed to simulate the tensile test and impact behavior of FMLs under the same conditions with the tests and good agreements have been obtained between the FEA predictions and experimental results.
In order to study the natural vibration characteristics of steel-concrete composite truss beam (SCCTB), the influence of multiple factors such as interface slip, shear deformation and moment of inertia are considered. Afterwards, based on the Hamilton principle the vibration control differential equation and natural boundary conditions of SCCTB are deduced. By solving SCCTB differential equations of vibration control, an analytical calculation method is proposed for analyzing the natural vibration characteristics of SCCTB. The natural frequencies of SCCTBs with different degrees of shear connection and effective lengths are calculated by using the analytical method, and the results are compared against those obtained from ANSYS finite element numerical calculation method. The results show that the analytical method considering the influence factors such as interface slip, shear deformation and moment of inertia are in good agreement with those obtained from ANSYS finite element numerical calculation method. This evidences the correctness of the analytical method and show that the method proposed exhibits improvement over the previously developed theories for the natural vibration characteristics of SCCTB. Finally, based on the analytical method, the influence factors of SCCTB natural vibration characteristics are analyzed. The results indicate that the influence of interface slip stiffness on SCCTB's natural frequency is more than 10% and therefore cannot be neglected. Moreover, shear deformation has an effect of more than 35% on SCCTB's natural frequency and the effect cannot be ignored either in this case too.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.51
no.2
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pp.114-121
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2014
Liquefied natural gas(LNG) cargo containment system(CCS) has the primary function of ensuring both adequate structural safety with respect to sloshing load which is defined as a violent behaviour of the liquid contents in CCS due to external forced motions and thermal insulation keeping natural gas below its boiling point. Among different LNG CCS types such as independent B-type and membrane ones, Mark III CCS is considered in this paper to perform its strength assessment. Mark III CCS plate is designed and constructed by stacking various non-metallic engineering materials such as plywood, triplex, reinforced PU foam that are supported by series of mastic upon inner steel hull structure. From the viewpoint of structural analysis, this plated structure is treated as a laminated composite structure showing complex structural behaviour under external load. Advanced finite element models of Mark III CCS plate is generated and used in conjunction with ultimate strength based failure criteria from laminated composite mechanics for the strength assessment. The strength assessment is performed within the initial failure state of Mark III CCS plate. Results provide failure details such as failure locations and loads. Finally obtained results are reviewed using the loads from acceptance criteria suggested by classification.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.4
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pp.335-345
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2008
In this study, we suggest a stochastic finite element scheme for the probabilistic analysis of the composite laminated plates, which have been applied to variety of mechanical structures due to their high strength to weight ratios. The applied concept in the formulation is the weighted integral method, which has been shown to give the most accurate results among others. We take into account the elastic modulus and in-plane shear modulus as random. For individual random parameters, independent stochastic field functions are assumed, and the effect of these random parameters on the response are estimated based on the exponentially varying auto- and cross-correlation functions. Based on example analyses, we suggest that composite plates show a less coefficient of variation than plates of isotropic and orthotropic materials. For the validation of the proposed scheme, Monte Carlo analysis is also performed, and the results are compared with each other.
Thirumalaiselvi, A.;Anandavalli, N.;Rajasankar, J.;Iyer, Nagesh R.
Steel and Composite Structures
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v.20
no.1
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pp.167-184
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2016
This paper presents the details of Finite Element (FE) analysis carried out to determine the limiting deformation capacity and failure mode of Laced Steel-Concrete Composite (LSCC) beam, which was proposed and experimentally studied by the authors earlier (Anandavalli et al. 2012). The present study attains significance due to the fact that LSCC beam is found to possess very high deformation capacity at which range, the conventional laboratory experiments are not capable to perform. FE model combining solid, shell and link elements is adopted for modeling the beam geometry and compatible nonlinear material models are employed in the analysis. Besides these, an interface model is also included to appropriately account for the interaction between concrete and steel elements. As the study aims to quantify the limiting deformation capacity and failure mode of the beam, a suitable damage model is made use of in the analysis. The FE model and results of nonlinear static analysis are validated by comparing with the load-deformation response available from experiment. After validation, the analysis is continued to establish the limiting deformation capacity of the beam, which is assumed to synchronise with tensile strain in bottom cover plate reaching the corresponding ultimate value. The results so found indicate about $20^{\circ}$ support rotation for LSCC beam with $45^{\circ}$ lacing. Results of parametric study indicate that the limiting capacity of the LSCC beam is more influenced by the lacing angle and thickness of the cover plate.
Crush energy characteristics of graphite/epoxy square tubes are experimentally studied. Effect of the ply orientation on the peak load and the average load is investigated by applying compressive load on the top of the composite square tubes under the stroke control with crosshead speed of 0.003mm/sec and 0.3mm/sec. in addition to the experimental survey, the finite element analysis is used to estimate the peak load of the composite square tubes with [0/90]₄ and [0/±45/90]₂. The first buckling mode of the tube is superimposed to the perfect geometry and the distributed compressive load is applied on the top of the tubes. The applied compressive load that make Tsai-Wu criteria equal to one is regarded as the peak load of the tubes. The experimental data shows that the square tube with [45/-45]₄ has the highest peak load and the square tube with [60/-60]₄ has the average sustained load. The measure peak load of the composite tubes with [0/90]₄ and [0/±45/90]₂agree well with the estimated peak load using the finite element analysis.
Dias, Maiga M.;Tamayo, Jorge L.P.;Morsch, Inacio B.;Awruch, Armando M.
Computers and Concrete
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v.15
no.4
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pp.687-707
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2015
A finite element computer code for short-term analysis of steel-concrete composite structures is extended to study long-term effects under service loads, in the present work. Long-term effects are important in engineering design because they influence stress and strain distribution of the structural system and therefore contribute to the increment of deflections in these structures. For creep analysis, a rheological model based on a Kelvin chain, with elements placed in series, was employed. The parameters of the Kelvin chain were obtained using Dirichlet series. Creep and shrinkage models, proposed by the CEB FIP 90, were used. The shear-lag phenomenon that takes place at the concrete slab is usually neglected or not properly taken into account in the formulation of beam-column finite elements. Therefore, in this work, a three-dimensional numerical model based on the assemblage of shell finite elements for representing the steel beam and the concrete slab is used. Stud shear connectors are represented for special beam-column elements to simulate the partial interaction at the slab-beam interface. The two-dimensional representation of the concrete slab permits to capture the non-uniform shear stress distribution in the horizontal plane of the slab due to shear-lag phenomenon. The model is validated with experimental results of two full-scale continuous composite beams previously studied by other authors. Results are given in terms of displacements, bending moments and cracking patterns in order to shown the influence of long-term effects in the structural response and also the potentiality of the present numerical code.
Inorganic oxide colloids dispersed in alcohol were applied to a stainless steel substrate to produce oxide coatings for the purpose of minimizing emissive thermal transfer. The microstructure, roughness, infrared emissive energy, and surface heat loss of the coated substrate were observed with a variation of the nano oxide sol and coating method. It was found that the indium tin oxide, antimony tin oxide, magnesium oxide, silica, titania sol coatings may reduce surface heat loss of the stainless steel at 300${\circ}C$. It was possible to suppress thermal oxidation of the substrate with the oxide sol coatings during an accelerated thermal durability test at 600${\circ}C$. The silica sol coating was most effective to suppress thermal oxidation at 600${\circ}C$, so that it is useful to prevent the increase of radiative surface heat loss as a heating element. Therefore, the inorganic oxide sol coatings may be applied to improve energy efficiency of the substrate as the heating element.
The problem of layup optimization of the composite laminates involves a very complex multidimensional solution space which is usually non-exhaustively explored using different heuristic computational methods such as genetic algorithms (GA). To ensure the convergence to the global optimum of the applied heuristic during the optimization process it is necessary to evaluate a lot of layup configurations. As a consequence the analysis of an individual layup configuration should be fast enough to maintain the convergence time range to an acceptable level. On the other hand the mechanical behavior analysis of composite laminates for any geometry and boundary condition is very convoluted and is performed by computational expensive numerical tools such as finite element analysis (FEA). In this respect some studies propose very fast FEA models used in layup optimization. However, the lower bound of the execution time of FEA models is determined by the global linear system solving which in some complex applications can be unacceptable. Moreover, in some situation it may be highly preferred to decrease the optimization time with the cost of a small reduction in the analysis accuracy. In this paper we explore some machine learning techniques in order to estimate the failure of a layup configuration. The estimated response can be qualitative (the configuration fails or not) or quantitative (the value of the failure factor). The procedure consists of generating a population of random observations (configurations) spread across solution space and evaluating using a FEA model. The machine learning method is then trained using this population and the trained model is then used to estimate failure in the optimization process. The results obtained are very promising as illustrated with an example where the misclassification rate of the qualitative response is smaller than 2%.
Cyclic behaviour of composite (steel-concrete) plate shear walls (CPSW) with variable column flexural stiffness is experimentally and numerically investigated. The investigation included design, fabrication and testing of three pairs of one-bay one-storey CPSW specimens. The reference specimen pair was designed in way that its column flexural stiffness corresponds to the value required by the design codes, while within the other two specimen pairs column flexural stiffness was reduced by 18% and 36%, respectively. Specimens were subjected to quasi-static cyclic tests. Obtained results indicate that column flexural stiffness reduction in CPSW does not have negative impact on the overall behaviour allowing for satisfactory performance for up to 4% storey drift ratio while also enabling inelastic buckling of the infill steel plate. Additionally, in comparison to similar steel plate shear wall (SPSW) specimens, column "pull-in" deformations are less pronounced within CPSW specimens. Therefore, the results indicate that prescribed minimal column flexural stiffness value used for CPSW might be conservative, and can additionally be reduced when compared to the prescribed value for SPSWs. Furthermore, finite element (FE) pushover simulations were conducted using shell and solid elements. Such FE models can adequately simulate cyclic behaviour of CPSW and as such could be further used for numerical parametric analyses. It is necessary to mention that the implemented pushover FE models were not able to adequately reproduce column "pull-in" deformation and that further development of FE simulations is required where cyclic loading of the shear walls needs to be simulated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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