Ji, Seungmin;Ham, Seok Woo;Choi, Jin Kyung;Cheon, Seong S.
Composites Research
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v.34
no.6
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pp.394-399
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2021
Piecewise Integrated Composite (PIC) is a new concept to design composite structures of multiple stacking angles both for in-plane direction and through the thickness direction in order to improve stiffness and strength. In the present study, PIC beam was suggested based on 3D training data instead of 2D data, which did offer a limited behavior of beam characteristics, with enhancing the stiffness accompanied by reduced tip deformation. Generally training data were observed from the designated reference finite elements, and preliminary FE analysis was conducted with respect to regularly distributed reference elements. Also triaxiality values for each element were obtained in order to categorize the loading state, i.e. tensile, compressive or shear. The main FE analysis was conducted to predict the mechanical characteristics of the PIC beam.
In this study, the relationship between fiber orientation and mechanical properties with the injection pressure of polyamide-6/glass fiber composite materials manufactured by the injection molding process was investigated. Also, an actual experimental data and finite element model-based simulation data were analyzed. Specimens were manufactured through the injection molding process setting the injection pressure differently to 700, 800, 900, and 1000 bar, respectively. A morphological analysis and orientation of the PA6/GF composite material were observed using Optical microscope. Through tensile and flexural strength tests, the mechanical properties of the PA6/GF composite materials with the injection pressure were studied. As a result, it was confirmed that the mechanical properties were the superior under the injection pressure of 900 bar molding conditions. In addition, the mechanical properties of the actually manufactured specimen (PA6/GF) and virtual engineering S/W((Digimat, Abaqus) were used to compare and analyze the analysis results for the mechanical properties, and based on the reliable DB, the physical properties of the PA6/GF composite characteristics were studied.
Dong-Geon Kim;Kyung-Rae Koo;Hyun-Guk Kim;Sung-Chan Song;Seong-Cheol Kwon;Jae-Hyuk Lim;Young-Bae Kim
Composites Research
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v.36
no.3
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pp.230-240
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2023
The deployable reflector antenna consists of 24 unit main reflectors, and is mounted on a launch vehicle in a folded state. This satellite reaches the operating orbit and the antenna of satellite is deployed, and performs a mission. The deployable reflector antenna has the advantage of reduce the storage volume of payload of launch vehicle, allowing large space structures to be mounted in the limited storage space of the launch vehicle. In this paper, structural analysis was performed on the main reflector constituting the deployable reflector antenna, and through this, the initial conceptual design was performed. Lightweight composite main reflector was designed by applying a carbon fiber composite and honeycomb core. The laminate pattern and shape were selected as design variables and a design that satisfies the operation conditions was derived. Then, the performance of the lightweight composite reflector antenna was analyzed by performing detailed structural analysis on modal analysis, quasi-static, thermal gradient, and dynamic behavior.
This study explored the feasibility of replacing a metal link with a carbon fiber/epoxy composite link and assessed its capacity to withstand a given load condition using failure criteria. The micromechanics of failure (MMF) criterion was employed to predict the failure mode of the composite material, and mechanical tests were conducted to obtain reference strength parameters for MMF. The findings revealed that the stress distribution was concentrated near the hole, and weaknesses were found around the hole and at the end of the link under bending conditions. Based on the failure index, matrix tensile failure was predicted at the end of the link, and fiber compression failure occurred near the hole. The methods and results obtained from this study can provide valuable guidelines for assessing the safety of composite materials under specific load conditions when replacing metal parts with carbon fiber/epoxy composites to achieve weight reduction.
Min-Hyeok Jeon;Hyun-Jun Cho;Yeon-Ju Kim;Mi-Yeon Lee;In-Gul Kim
Composites Research
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v.36
no.2
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pp.80-85
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2023
A cylindrical composite lattice structure is manufactured by filament winding. The distribution of nonuniform fiber volume fraction induced by the manufacturing process can be observed. The stiffness and buckling characteristics can be influenced by non-uniform fiber volume fraction. In this paper, the effect of non-uniform fiber volume fraction through thickness direction on the torsional buckling load of the cylindrical composite lattice structure was examined. The stiffness variation induced by the non-uniform fiber volume fraction was applied to the finite element model, and buckling analysis was performed. The variations of buckling load with variations of fiber volume fraction were compared. The non-uniform fiber volume fraction reduced the torsional buckling load of the composite lattice structure.
Due to higher strength-to-weight ratio of composite laminates, they find uses in many weight-sensitive applications like aerospace, automobile and marine structures. From a reliability point of view, accurate prediction of failure of these structures is important. Due to the complexities in the manufacturing processes of composite laminates, there is a variation in the material properties and geometric parameters. Hence stochastic aspects are important while designing the composite laminates. Many existing works of composite laminate failure analysis are based on the deterministic approach but it is important to consider the randomness in the material properties, geometry and loading to predict accurate failure loads. In this paper the statistics of the ultimate failure load of the [0/θ]s laminated composite plate (LCP) containing the edge crack and voids subjected to the tensile loading are presented in terms of the mean and coefficient of variance (COV). The objective is to better the efficacy of laminate failure by predicting the statistics of the ultimate failure load of LCP with random material, geometric and loading parameters. The stochastic analysis is done by using the extended finite element method (XFEM) combined with the second-order perturbation technique (SOPT). The ultimate failure load of the LCP is obtained by ply-by-ply failure analysis using the ply discount method combined with the Tsai-Wu failure criterion. The aim is to know the effect of the stacking sequence, crack length, crack angle, location of voids and number of voids on the mean and corresponding COV of the ultimate failure load of LCP is investigated. The results of the ultimate failure load obtained by the present method are in good agreement with the existing experimental and numerical results. It is observed that [0/θ]s LCPs are very sensitive to the randomness in the crack length, applied load, transverse tensile strength of the laminate and modulus of elasticity of the material, so precise control of these parameters is important. The novelty of the present study is, the stochastic implementation in XFEM for the failure prediction of LCPs containing crack and voids.
Li Zhu;Ray Kai-Leung Su;Wei Liu;Tian-Nan Han;Chao Chen
Steel and Composite Structures
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v.48
no.2
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pp.207-233
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2023
Steel-concrete composite box girder bridges are widely used in the construction of highway and railway bridges both domestically and abroad due to their advantages of being light weight and having a large spanning ability and very large torsional rigidity. Composite box girder bridges exhibit the effects of shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip under various loads during operation. As one of the most commonly used calculation tools in bridge engineering analysis, one-dimensional models offer the advantages of high calculation efficiency and strong stability. Currently, research on the one-dimensional model of composite beams mainly focuses on simulating interface longitudinal slip and the shear lag effect. There are relatively few studies on the one-dimensional model which can consider the effects of restrained torsion, distortion and interface transverse slip. Additionally, there are few studies on vehicle-bridge integrated systems where a one-dimensional model is used as a tool that only considers the calculations of natural frequency, mode and moving load conditions to study the dynamic response of composite beams. Some scholars have established a dynamic analysis model of a coupled composite beam bridge-train system, but where the composite beam is only simulated using a Euler beam or Timoshenko beam. As a result, it is impossible to comprehensively consider multiple complex force effects, such as shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip of composite beams. In this paper, a 27 DOF vehicle rigid body model is used to simulate train operation. A two-node 26 DOF finite beam element with composed box beams considering the effects of shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip is proposed. The dynamic analysis model of the coupled composite box girder bridge-train system is constructed based on the wheel-rail contact relationship of vertical close-fitting and lateral linear creeping slip. Furthermore, the accuracy of the dynamic analysis model is verified via the measured dynamic response data of a practical composite box girder bridge. Finally, the dynamic analysis model is applied in order to study the influence of various mechanical effects on the dynamic performance of the vehicle-bridge system.
The solution of anisotropic plate via the classical methods is limited to relatively load and boundary conditions. If these conditions are more complex, the analysis becomes increasingly tedious and even impossible. For many plate problems of considerable practical interest, analytic solutions to the governing differential equations cannot be found. Among the numerical techniques presently available, the finite difference method and the finite element method are powerful numerical methods. The objective of this paper is to compare with each numerical methods for the buckling load and modes of anisotropic composite laminated plates considering shear deformation. In applying numerical methods to solve differential equations of anisotropic plates, this study uses the finite difference method and the finite element method. In determining the eigenvalue by Finite Difference Method, this paper represent good convergence compared with Finite Element Method. Several numerical examples and buckling modes show the effectiveness of various numerical methods and they will give a guides in deciding minimum buckling load and various mode shapes.
A unique lightweight string truss deployable bridge assembled by thin-walled fiber reinforced polymer (FRP) and metal profiles was designed for emergency applications. As a new structure, investigations into the static structural performance under the serviceability limit state are desired for examining the structural integrity of the developed bridge when subjected to unsymmetrical loadings characterized by combined torsion and bending. In this study, a full-scale experimental inspection was conducted on a fabricated bridge, and the combined flexural-torsional behavior was examined in terms of displacement and strains. The experimental structure showed favorable strength and rigidity performances to function as deployable bridge under unsymmetrical loading conditions and should be designed in accordance with the stiffness criterion, the same as that under symmetrical loads. In addition, a finite element model (FEM) with a simple modeling process, which considered the multi segments of the FRP members and realistic nodal stiffness of the complex unique hybrid nodal joints, was constructed and compared against experiments, demonstrating good agreement. A FEM-based numerical analysis was thereafter performed to explore the effect of the change in elastic modulus of different FRP elements on the static deformation of the bridge. The results confirmed that the change in elastic modulus of different types of FRP element members caused remarkable differences on the bending and torsional stiffness of the hybrid bridge. The global stiffness of such a unique bridge can be significantly enhanced by redesigning the critical lower string pull bars using designable FRP profiles with high elastic modulus.
Engineered Cementitious Composite (ECC) is a special class of the new generation of high performance fiber reinforced cementitious composites (HPFRCC) featuring high ductility with relatively low fiber content. In this research, the mechanical performance of ECC beams will be investigated with respect to the effect of slag and aggregate size and amount, by employing nonlinear finite element method. The validity of the models was verified with the experimental results of the ECC beams under monotonic loading. Based on the numerical analysis method, nonlinear parametric study was then conducted to evaluate the influence of the ECC aggregate content (AC), ECC compressive strength ($f_{ECC}$), maximum aggregate size ($D_{max}$) and slag amount (${\phi}$) parameters on the flexural stress, deflection, load and strain of ECC beams. The simulation results indicated that when increase the slag and aggregate size and content no definite trend in flexural strength is observed and the ductility of ECC is negatively influenced by the increase of slag and aggregate size and content. Also, the ECC beams revealed enhancement in terms of flexural stress, strain, and midspan deflection when compared with the reference beam (microsilica MSC), where, the average improvement percentage of the specimens were 61.55%, 725%, and 879%, respectively. These results are quite similar to that of the experimental results, which provides that the finite element model is in accordance with the desirable flexural behaviour of the ECC beams. Furthermore, the proposed models can be used to predict the flexural behaviour of ECC beams with great accuracy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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