Bonded composite-patch repair has been widely used to restore or extend the service life of damaged structures due to its effectiveness as a mechanical repair technique. In this paper using extended finite element method (XFEM), three-dimensional crack models are developed to examine the fracture behavior of centrally cracked aluminum plates repaired with single and double sided composite patches. Stress intensity factor (SIF) at the crack tip is used as the fracture criterion. In this regard, the effects of the crack lengths, patch materials, orientation of plies, adhesive and patch thickness are examined to estimate the SIF of the repaired plate and the repair performance. The obtained results show that composite patches have significant effect on reduction of the SIF at the crack tip. It is also proved that using double symmetric repair, in comparison to single one, reduces considerably SIF at the crack tip. Hence, the residual strength can be improved significantly as well as fatigue life of the structure. Investigation of ply orientation effects shows SIF increase as the ply orientation is changed from $0^{\circ}$ (perpendicular to the advancing crack) to $90^{\circ}$ (parallel to the crack line). However, the effectiveness of the ply orientation depends on the loading direction and the crack direction.
Through extensive research, there exist a new type of connection between railway bridge girders and steel-concrete composite panels. In addition to conventional shear connectors, newly developed blind bolts have been recently adopted for retrofitting. However, the body of knowledge on their influence and application to railway structures has not been thoroughly investigated. This study has thus placed a particular emphasis on the application of blind bolts on the Sydney Harbour Bridge as a feasible alternative constituent of railway track upgrading. Finite element modeling has been used to simulate the behaviours of the precast steel-concrete panels with common types of bolt connection using commercially available package, ABAQUS. The steel-concrete composite track slabs have been designed in accordance with Australian Standards AS5100. These precast steel-concrete panels are then numerically retrofitted by three types of most practical bold connections: head studded shear connector, Ajax blind bolt and Lindapter hollow bolt. The influences of bolt connections on load and stress transfers and structural behaviour of the composite track slabs are highlighted in this paper. The numerical results exhibit that all three bolts can distribute stresses effectively and can be installed on the bridge girder. However, it is also found that Lindapter hollow bolts are superior in minimising structural responses of the composite track slabs to train loading.
In our preceding study, we reported that the use of light, composite-material wings in long-endurance Solar-Powered UAVs is a critical factor. Ribs are critical components of wings, which prevent buckling and torsion of the wing skin. This study was undertaken to design and manufacture optimal composite ribs. The ribs were manufactured by applying laminated-layer patterns and shapes, considering the anisotropic properties of the composite material. Through the finite element analysis using the MSC Patran/Nastran, the maximum load and the displacement shape were identified. Based on the study results measured by structural tests, we present an optimal design of ribs.
Composite materials are consist of two or more different materials to produce desirable properties for structural strength. Because of their superiority in strength, corrosion resistance, and weight reduction, they are used extensively as structural members. The objective of this study is to present the effectivness of the laminated composite elements by analyzing in-plane displacement and stress of the anisotropic laminated annular elements. Anisotropic laminated structures are very difficult to analyze and apply, compared with isotropic and orthotropic cases for arbitrary boundaries and fiber angle -ply. Boundary conditions for the examples used in this study consist of two opposite edges clamped and the other two edges free, and finite difference method is used in this study for numerical analysis. From the numerical result, it is found that the program used in this study can be used to obtain the displacement of the straight beams considering it's transverse shear deformation as well as anisotropic laminated elements. Several numerical examples show the advantages of the stiffness increase when the angle-ply composite materials are used. Therefore it gives a guide in deciding how to make use of fiber's angle for the subtended angle, load cases, and boundary conditions.
In this study, a refined beam analysis model has been developed for multi-celled composite blades with elliptic cross-sections. Reissner's semi-complimentary energy functional is introduced to describe the beam theory and also to deal with the mixed-nature of the formulation. The wail of elliptic sections is discretized into finite number of elements along the contour line and Gauss integration is applied to obtain the section properties. For each cell of the section, a total of four continuity conditions are used to impose proper constraints for the section. The theory is applied to single- and double-celled composite blades with elliptic cross-sections and is validated with detailed finite element analysis results.
An experimental investigation of the effect of composite patching repair was conducted to characterize the fatigue crack growth behavior in thick A16061-T6 (6mm) panels with single bonded patch by fiber reinforced composite patch. Four patch lengths and no patch plate were examined. An analytical procedure, involving three-dimensional finite element method having three layers to model cracked aluminum plate, epoxy by adhesive and composite patch, is calculated the stress intensity factors. From the calculated stress intensity factors, the fatigue crack growth rates are obtained. At the single patching type, different fatigue crack growth ratios through the plate thickness were investigated by using the experimental and analytical results. The results demonstrated that there was a definite variation in fatigue life depending on the size of composite patch. While crack reached the patch end, retardation of crack growth was also revealed in the bonded repair.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.8
s.179
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pp.2000-2006
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2000
The enhancement of service life of damaged or cracked structures is currently major issue to the researchers and engineers. In order to improve the life of cracked aging aircraft structures, the repair technique which uses adhesively bonded boron/epoxy composite patches is being widely considered as a cost-effective and reliable method. This paper is to study the performance of the bonded composite patch repair of a plate containing an inclined central through-crack. A 3-dimensional finite element method having three layers to the cracked plate, composite patch and adhesive layer, is used to compute the stress intensity factor. In this paper, the reduction of stress intensity factors near the crack-tip are determined to evaluate the effects of various non-dimensional design parameter including composite patch thickness, and material properties of the composite patch and thickness of the adhesive layer, materials of patch etc., and the crack length, Finally, The problem of how to optimize the patch geometric configurations has been discussed.
Steel frames are widely used in steel structures. Exiting steel structures may be needed to strengthen for various reasons. Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) is one of the materials that are used to strengthen steel structures. Most studies on strengthening steel structures have been done on beams and steel columns. No independent study, to the researcher's knowledge, has studied the effect of CFRP strengthening on steel frames. This study explored the use of CFRP composite on retrofitting square hollow section (SHS) steel frames, using numerical investigations. Ten Finite Element (FE) models, which were strengthened with CFRP sheets, were analyzed under different coverage length, number of layers, and location of CFRP composite. One FE model without strengthening was analyzed as a control FE model to determine the increase of the ultimate load in the strengthened steel frames. ANSYS software was used to analyze the SHS steel frames. The results showed that the coverage length and the number of layers of CFRP composite have a significant effect on increasing the ultimate load of the SHS steel frames. The results also showed that the location of CFRP composite had no similar effect on increasing the ultimate load and the amount of mid span deflection of the SHS steel frames.
Free vibration of a thin-walled laminated composite beam is studied. A general analytical model applicable to the dynamic behavior of a thin-walled channel section composite is developed. This model is based on the classical lamination theory, and accounts for the coupling of flexural and torsional modes for arbitrary laminate stacking sequence configuration. i.e. unsymmetric as well as symmetric, and various boundary conditions. A displacement-based one-dimensional finite element model is developed to predict natural frequencies and corresponding vibration modes for a thin-walled composite beam. Equations of motion are derived from the Hamilton's principle. Numerical results are obtained for thin-walled composite addressing the effects of fiber angle. modulus ratio. and boundary conditions on the vibration frequencies and mode shapes of the composites.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.2
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pp.317-326
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1997
An investigation was performed to study the matrix cracking and delamination in laminated composite plates due to transverse impact. A model was developed for predicting the initiation of the matrix cracking and the shape and size of impact-induced delamination in laminated composite plates resulting from the ballistic impact. The model consists of a stress analysis and a failure analysis. A transient finite element analysis which was based on the higher-order shear deformation theory was adopted for calculating the stresses inside the laminated composite plates during impact. A failure analysis was used to predict the initial intraply matrix cracking and the shape and size of the interface delamination in the laminates. As a results, a shear matrix cracking which was governed by the transverse interlaminar shear stress occured at the middle layer near the midplane of laminates and a bending matrix cracking which was governed by the transverse inplane stress occured at the bottom layer near the surface of laminates. In a thick laminates, a shear matrix cracking generated first at the middle layer of laminates, but in a thin laminates, a bending matrix cracking generated first at the bottom layer of laminates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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