The paper presents the study on a change in modal parameters and structural stiffness of cable-stayed Fiberline Bridge made entirely of Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) composite used for 20 years in the fjord area of Kolding, Denmark. Due to this specific location the bridge structure was subjected to natural aging in harsh environmental conditions. The flexural properties of the pultruded GFRP profiles acquired from the analyzed footbridge in 1997 and 2012 were determined through three-point bending tests. It was found that the Young's modulus increased by approximately 9%. Moreover, the influence of the temperature on the storage and loss modulus of GFRP material acquired from the Fiberline Bridge was studied by the dynamic mechanical analysis. The good thermal stability in potential real temperatures was found. The natural vibration frequencies and mode shapes of the bridge for its original state were evaluated through the application of the Finite Element (FE) method. The initial FE model was created using the real geometrical and material data obtained from both the design data and flexural test results performed in 1997 for the intact composite GFRP material. Full scale experimental investigations of the free-decay response under human jumping for the experimental state were carried out applying accelerometers. Seven natural frequencies, corresponding mode shapes and damping ratios were identified. The numerical and experimental results were compared. Based on the difference in the fundamental natural frequency it was again confirmed that the structural stiffness of the bridge increased by about 9% after 20 years of service life. Data collected from this study were used to validate the assumed FE model. It can be concluded that the updated FE model accurately reproduces the dynamic behavior of the bridge and can be used as a proper baseline model for the long-term monitoring to evaluate the overall structural response under service loads. The obtained results provided a relevant data for the structural health monitoring of all-GFRP bridge.
The present work deals with second order statistics of post buckling response of piezoelectric laminated composite cylindrical shell panel subjected to hygro-thermo-electro-mechanical loading with random system properties. System parameters such as the material properties, thermal expansion coefficients and lamina plate thickness are assumed to be independent of the temperature and electric field and modeled as random variables. The piezoelectric material is used in the forms of layers surface bonded on the layers of laminated composite shell panel. The mathematical formulation is based on higher order shear deformation shell theory (HSDT) with von-Karman nonlinear kinematics. A efficient $C^0$ nonlinear finite element method based on direct iterative procedure in conjunction with a first order perturbation approach (FOPT) is developed for the implementation of the proposed problems in random environment and is employed to evaluate the second order statistics (mean and variance) of the post buckling load of piezoelectric laminated cylindrical shell panel. Typical numerical results are presented to examine the effect of various environmental conditions, amplitude ratios, electrical voltages, panel side to thickness ratios, aspect ratios, boundary conditions, curvature to side ratios, lamination schemes and types of loadings with random system properties. It is observed that the piezoelectric effect has a significant influence on the stochastic post buckling response of composite shell panel under various loading conditions and some new results are presented to demonstrate the applications of present work. The results obtained using the present solution approach is validated with those results available in the literature and also with independent Monte Carlo Simulation (MCS).
This paper aims to evaluate the structural dynamic responses and damage/failure of the nuclear fuel reprocessing plant under the free drop impact of spent fuel cask (SFC) and fuel assembly (FA) during the on-site transportation. At the present Part I of this paper, the large-scale SFC model free drop test and the corresponding numerical simulations are performed. Firstly, a composite target which is composed of the protective structure, i.e., a thin RC plate (representing the inverted U-shaped slab in the loading shaft) and/or an autoclaved aerated concrete (AAC) blocks sacrificial layer, as well as a thick RC plate (representing the bottom slab in the loading shaft) is designed and fabricated. Then, based on the large dropping tower, the free drop test of large-scale SFC model with the mass of 3 t is carried out from the height of 7 m-11 m. It indicates that the bottom slab in the loading shaft could not resist the free drop impact of SFC. The composite protective structure can effectively reduce the damage and vibrations of the bottom slab, and the inverted U-shaped slab could relieve the damage of the AAC blocks layer dramatically. Furthermore, based on the finite element (FE) program LS-DYNA, the corresponding refined numerical simulations are performed. By comparing the experimental and numerical damage and vibration accelerations of the composite structures, the present adopted numerical algorithms, constitutive models and parameters are validated, which will be applied in the further assessment of drop impact effects of full-scale SFC and FA on prototype nuclear fuel reprocessing plant in the next Part II of this paper.
Composite materials have been used in aerospace industry and many applications because of many advantages such as specific strength and stiffness and corrosion resistance etc. However, it is vulnerable to impacts, these impact lead to formation of cracks in composite laminate and failure of structures. In this paper, we analyzed Mode I fracture toughness of Carbon/Epoxy laminates using acoustic emission signal. DCB test was carried out to analyze Mode I failure characterization of Carbon/Epoxy laminates, and AE sensor was attached to measure AE signal induced by failure of specimen. Fracture toughness was calculated using cumulative AE energy and measured crack length using camera. The calculated fracture toughness was applied in FE model and the result of FE analysis compared with DCB test results. The results show good agreement with between FEM and DCB test results.
In this study, an optimal structural design framework has been developed for the structural design of composite helicopter blades. The optimal design framework is constructed using PSGA (Particle Swarm assisted Genetic Algorithm), which combines the genetic algorithm and particle swarm optimizer. The optimization process consists of a finite element (FE) modeling over the blade section, two-dimensional (2D) cross-sectional FE analysis, and 1D rotating blade analysis. In the design process, the geometric curves and surfaces are formed using the B-spline scheme while discretizing the sections via a FE mesh generation program Gmsh. The blade cross-sections are created in accordance with the design variables when performing the blade structural analysis. The proposed optimization design framework is applied to a modernization of the HART II (Higher-harmonic Aeroacoustics Rotor Test II) blades. It is demonstrated that an improved blade design is reached through the current optimization framework with the satisfaction of all design requirements set for the study.
This study suggests the prediction algorithm for transverse permeability, represented the flow resistance during the manufacturing process of composite, of unidirectional continuous fiber reinforced plastics. The cross-sectional shape of representative volume element (RVE) is considered to reflect fiber arrangement. The equivalent length is used as a factor to express the change of resin flow according to fiber arrangement. The permeability prediction algorithm is created by grafting the Electro-Hydraulic analogy and validity is confirmed. The code for permeability prediction was composed by means of MATLAB and Python, flow analysis was performed by using FLUENT. The algorithm was verified as the permeability results obtained through Algorithm and numerical analysis were almost identical to each other, and the calculation time was reduced around 1/450 compared to the numerical analysis.
This paper decided the 3D shape of sandwich composite for the cradle of CT instrument, suggested the stacking sequence with satisfaction on structural criteria using the Finite Element Analysis, and introduced the manufacturing method to meet the X-ray transmission performance uniformly. The design of Cradle was considered the space between other parts, fixing method, and assembly condition with headrest part. It is decided the stacking sequence to meet the criteria that the deflection at the end point is less than 20 mm when it is applied to 135 kg load at the specific locations. In site of manufacturing method, at first, it is used the hand lay-up for carbon UD and carbon fabric/polyester resin, but it had the ununiform X-ray transmission performance due to the void and excess resin. For solving this problem, it was replaced with the infusion method for the first layer of face material and the application of carbon UD or fabric/epoxy resin prepreg for other layers. Therefor, the property of X-ray transmission was improved.
Belarbi, Mohamed-Ouejdi;Salami, Sattar Jedari;Garg, Aman;Hirane, Hicham;Amine, Daikh Ahmed;Houari, Mohammed Sid Ahmed
Steel and Composite Structures
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v.44
no.4
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pp.451-471
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2022
In the present paper, the static bending and buckling responses of functionally graded carbon nanotubes-reinforced composite (FG-CNTRC) beam under various boundary conditions are investigated within the framework of higher shear deformation theory. The significant feature of the proposed theory is that it provides an accurate parabolic distribution of transverse shear stress through the thickness satisfying the traction-free boundary conditions needless of any shear correction factor. Uniform (UD) and four graded distributions of CNTs which are FG-O, FG-X, FG- and FG-V are selected here for the analysis. The effective material properties of FG-CNTRC beams are estimated according to the rule of mixture. To model the FG-CNTRC beam realistically, an efficient Hermite-Lagrangian finite element formulation is successfully developed. The accuracy and efficiency of the present model are demonstrated by comparison with published benchmark results. Moreover, comprehensive numerical results are presented and discussed in detail to investigate the effects of CNTs volume fraction, distribution patterns of CNTs, boundary conditions, and length-to-thickness ratio on the bending and buckling responses of FG-CNTRC beam. Several new referential results are also reported for the first time which will serve as a benchmark for future studies in a similar direction. It is concluded that the FG-X-CNTRC beam is the strongest beam that carries the lowest central deflection and is followed by the UD, V, Λ, and FG-O-CNTRC beam. Besides, the critical buckling load belonging to the FG-X-CNTRC beam is the highest, followed by UD and FG-O.
Zhen Zhu;Haitao Song;Mingchi Fan;Hao Yu;Chenglong Wu;Chunying Zheng;Haiyang Duan;Lei Wang
Steel and Composite Structures
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v.52
no.4
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pp.405-418
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2024
To study the influence of different reduced beam section (RBS) on the mechanical performance of modular boltedwelded hybrid connection joints (MHCJs), this article uses ABAQUS to establish and verify the finite element model (FEM) of the test specimens on the basis of quasi-static test research. Based on, 14 joint models featuring different RBS are devised to evaluate their influence on seismic behavior, such as joint failure mode, bending moment (M)-rotation angle (θ) curve, ductility, and energy consumption. The results indicate that when the flange and web are individually weakened, they alleviate to some extent the concentrated stress of the core module (CM) and column end steel skeleton in the joint core area, but both increase the stress on the flange connecting plate (FCP). At the same time, the impact of both on seismic performance such as bearing capacity, stiffness, and energy consumption is relatively small. When simultaneously weakening the flange and web of the steel beam, forming plastic hinges at the weakened position of the beam end, significantly alleviated the stress concentration of the CM and the damage at the FCP, improving the overall deformation and energy consumption capacity of joints. But as the weakening size of the web increases, the overall bearing capacity of the joint shows a decreasing trend.
Optimization of the construction scheme of the cable-strut tensile structure based on error sensitivity analysis is studied in this paper. First, the element length was extracted as a fundamental variable, and the relationship between element length change and element internal force was established. By setting all pre-stresses in active cables to zero, the equation between the pre-stress deviation in the passive cables and the element length error was obtained to analyze and evaluate the error effects under different construction schemes. Afterwards, based on the probability statistics theory, the mathematical model of element length error is set up. The statistical features of the pre-stress deviation were achieved. Finally, a cable-strut tensile structure model with a diameter of 5.0 m was fabricated. The element length errors are simulated by adjusting the element length, and each member in one symmetrical unit was elongated by 3 mm to explore the error sensitivity of each type of element. The numerical analysis of error sensitivity was also carried out by the FEA model in ANSYS software, where the element length change was simulated by implementing appropriate temperature changes. The theoretical analysis and experimental results both indicated that different elements had different error sensitivities. Likewise, different construction schemes had different construction precisions, and the optimal construction scheme should be chosen for the real construction projects to achieve lower error effects, lower cost and greater convenience.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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