This paper describes the standardized finite element model for carbody structures of railway vehicle made of sandwich composites. Recently, sandwich composites were widely used to railway vehicle due to the improvement of energy efficiency, high specific stiffness and strength, weight reduction and space saving in korea. Therefore, structural integrity should be verified using finite element analysis prior to the manufacture of composite railway vehicle. The standardized finite element model for composite carbody structures was introduced through comparing the results of real structural test under vertical, compressive, twisting load and natural frequency test of various railway vehicles in this study. The results show that the quadratic shell element is suitable to model the reinforced metal frame used to improve the flexural stiffness of sandwich panel compared to beam element, and layered shell and solid element are recommended to model the skin and honeycomb core of sandwich panel compared to sandwich shell element. Also, the proposed standard finite element model has the merit of being applied to crashworthiness problem without modifications of finite element model.
A constitutive model on oorthotropic thermo-elasto-viscoplasticity for fiber-reinforced composite materials Is illustrated, and their thermomechanical responses are predicted with the fully-coupled finite element formulation. The unmixing-mixing scheme can be adopted with the multipartite matrix method as the constitutive model. Basic assumptions based upon the composite micromechanics are postulated, and the strain components of thermal expansion due to temperature change are included In the formulation. Also. more than two sets of mechanical variables, which represent the deformation states of multipartite matrix can be introduced arbitrarily. In particular, the unmixing-mixing scheme can be used with any well-known isotropic viscoplastic theory of the matrix material. The scheme unnecessitates the complex processes for developing an orthotropic viscoplastic theory. The governing equations based on fully-coupled thermomechanics are derived with constitutive arrangement by the unmixing-mixing concept. By considering some auxiliary conditions, the Initial-boundary value problem Is completely set up. As a tool of numerical analyses, the finite element method Is used with isoparametric Interpolation fer the displacement and the temperature fields. The equation of mutton and the energy conservation equation are spatially discretized, and then the time marching techniques such as the Newmark method and the Crank-Nicolson technique are applied. To solve the ultimate nonlinear simultaneous equations, a successive iteration algorithm is constructed with subincrementing technique. As a numerical study, a series of analyses are performed with the main focus on the thermomechanical coupling effect in composite materials. The progress of viscoplastic deformation, the stress-strain relation, and the temperature History are careful1y examined when composite laminates are subjected to repeated cyclic loading.
Chicoine, Thierry;Tremblay, Robert;Massicotte, Bruno
Steel and Composite Structures
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v.2
no.3
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pp.171-194
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2002
In this paper, the behaviour of axially loaded partially encased composite columns made with light welded H steel shapes is examined using ABAQUS finite element modelling. The results of the numerical simulations are compared to the response observed in previous experimental studies on that column system. The steel shape of the specimens has transverse links attached to the flanges to improve its local buckling capacity and concrete is poured between the flanges only. The test specimens included 14 stubcolumns with a square cross section ranging from 300 mm to 600 mm in depth. The transverse link spacing varied from 0.5 to 1 times the depth and the width-to-thickness ratio of the flanges ranged from 23 to 35. The numerical model accounted for nonlinear stress-strain behaviour of materials, residual stresses in the steel shape, initial local imperfections of the flanges, and allowed for large rotations in the solution. A Riks displacement controlled strategy was used to carry out the analysis. Plastic analyses on the composite models reproduced accurately the capacity of the specimens, the failure mode, the axial strain at peak load, the transverse stresses in the web, and the axial stresses in the transverse links. The influence of applying a typical construction loading sequence could also be reproduced numerically. A design equation is proposed to determine the axial capacity of this type of column.
An analytical-numerical procedure has been presented in this paper to take into account the nonlinear effects of concrete cracking and time-dependent effects of creep and shrinkage in the concrete portion of the continuous composite beams under service load. The procedure is analytical at the element level and numerical at the structural level. The cracked span length beam element consisting of uncracked zone in middle and cracked zones near the ends has been proposed to reduce the computational effort. The progressive nature of cracking of concrete has been taken into account by division of the time into a number of time intervals. Closed form expressions for stiffness matrix, load vector, crack lengths and mid-span deflection of the beam element have been presented in order to reduce the computational effort and bookkeeping. The procedure has been validated by comparison with the experimental and analytical results reported elsewhere and with FEM. The procedure can be readily extended for the analysis of composite building frames where saving in computational effort would be very considerable.
In recent years steel-concrete composite shear walls have been widely used in enormous high-rise buildings. Due to high strength and ductility, enhanced stiffness, stable cycle characteristics and large energy absorption, such walls can be adopted in the auxiliary building; surrounding the reactor containment structure of nuclear power plants to resist lateral forces induced by heavy winds and severe earthquakes. This paper demonstrates a set of nonlinear numerical studies on I-shaped composite steel-concrete shear walls of the nuclear power plants subjected to reverse cyclic loading. A three-dimensional finite element model is developed using ABAQUS by emphasizing on constitutive material modeling and element type to represent the real physical behavior of complex shear wall structures. The analysis escalates with parametric variation in steel thickness sandwiching the stipulated amount of concrete panels. Modeling details of structural components, contact conditions between steel and concrete, associated boundary conditions and constitutive relationships for the cyclic loading are explained. Later, the load versus displacement curves, peak load and ultimate strength values, hysteretic characteristics and deflection profiles are verified with experimental data. The convergence of the numerical outcomes has been discussed to conclude the remarks.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.11a
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pp.228-231
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2000
The active vibration control of laminated composite shell has been performed with the optimized sensor/actuator system. PVDF film is used fur the material of sensor/actuator. Finite element method is utilized to model the whole structure including the piezoelectric sensor/actuator system, The distributed selective modal sensor/actuator system is established to prevent the adverse effect of spillover. In the finite element discretization process, the nine-node shell element with five nodal degrees of freedoms is used. Electrode patterns and lamination angles of sensor/actuator are optimized using genetic algorithm. Sensor is designed to minimize the observation spillover, and actuator is designed to minimize the system energy of the control modes under a given initial condition. Modal sensor/actuator profiles are optimized for the first and the second modes suppression of singly curved cantilevered composite shell structure. Discrete LQG method is used as a control law. The real time vibration control with profile optimized sensor/actuator system has been performed. Experimental result shows successful performance of the integrated structure for the active vibration control.
In the current paper, a generalization of the results of Zhao et al. (2008) on a new design of C/C composite multidisc brake system is presented. The purpose of this paper is to study the effect of thermal sensitivity of Carbon/Carbon (C/C) composite material on the temperature distributions, deformation, and stress during braking. In this regard, a transient temperature-displacement coupled analysis for C/C composite brake discs with frictional heat generation under simulated operating conditions is performed. An axisymmetric model for brake system is used for the finite element analysis according to the theory of energy transformation and transportation. The transient temperature distributions on the friction surfaces, deformation, and stress are obtained. To check the validity, the results are corroborated with other solutions available in the literature, wherever possible. The current study could be used as a guide in the initial design of a high performance multidisc brake system.
This paper presents a novel analytical formulation for the analysis of composite beams with partial shear interaction stiffened by a bolted longitudinal plate accounting for time effects, such as creep and shrinkage. The model is derived by means of the principle of virtual work using a displacement-based formulation. The particularity of this approach is that the partial interaction behaviour is assumed to exist between the top slab and the joist as well as between the joist and the bolted longitudinal stiffening plate, therefore leading to a three-layered structural representation. For this purpose, a novel finite element is derived and presented. Its accuracy is validated based on short-and long-term analyses for the particular cases of full shear interaction and partial shear interaction of two layers for which solutions in closed form are available in the literature. A parametric study is carried out considering different stiffening arrangements to investigate the influence on the short-and long-term behaviour of the composite beam of the shear connection stiffness between the concrete slab and the steel joist, the stiffness of the plate-to-beam connection, the properties of the longitudinal plate and the concrete properties. The values of the deflection obtained from the finite element simulations are compared against those calculated using the effective flexural rigidity in accordance with EC5 guidelines for the behaviour of elastic multi-layered beams with flexible connection and it is shown how the latter well predicts the structural response. The proposed numerical examples highlight the ease of use of the proposed approach in determining the effectiveness of different retrofitting solutions at service conditions.
This study aims to accurately predict the first ply failure loads of laminated composite hypar shell roofs with different boundary conditions. The geometrically nonlinear finite element method (FEM) is used to analyse different symmetric and anti-symmetric, cross and angle ply shells. The first ply failure loads are obtained through different well-established failure criteria including Puck's criterion along with the serviceability criterion of deflection. The close agreement of the published and present results for different validation problems proves the correctness of the finite element model used in the present study. The effects of edge conditions on first ply failure behavior are discussed critically from practical engineering point of view. Factor of safety values and failure zones are also reported to suggest design and non-destructive monitoring guidelines to practicing engineers. Apart from these, the present study indicates the rank wise relative performances of different shell options. The study establishes that the angle ply laminates in general perform better than the cross ply ones. Among the stacking sequences considered here, three layered symmetric angle ply laminates offer the highest first ply failure load. The probable failure zones on the different shell surfaces, identified in this paper, are the areas where non-destructive health monitoring may be restricted to. The contributions made through this paper are expected to serve as important design aids to engineers engaged in composite hypar shell design and construction.
Yilmaz, Semih;Karahasan, Olguhan Sevket;Altunisik, Ahmet Can;Vural, Nilhan;Demir, Serhat
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.6
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pp.737-750
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2022
Timber-Concrete Composite construction system consists of combining timber beam or deck and concrete with different connectors. Different fastener types are used in Timber-Concrete Composite systems. In this paper, the effects of two types of fasteners on structural behavior are compared. First, the notches were opened on timber beam, and combined with reinforced concrete slab by fasteners. This system is called as Notched Connection System. Then, timber beam and reinforced concrete slab were combined by new type designed fasteners in another model. This system is called as Notched-Slab Approach. Two laboratory models were constructed and bending tests were performed to examine the fasteners' effectiveness. Bending test results have shown that heavy damage to concrete slab occurs in Notched Connection System applications and the system becomes unusable. However, in Notched-Slab Approach applications, the damage concentrated on the fastener in the metal notch created in the slab, and no damage occurred in the concrete slab. In addition, non-destructive experimental measurements were conducted to determine the dynamic characteristics. To validate the experimental results, initial finite element models of both systems were constituted in ANSYS software using orthotropic material properties, and numerical dynamic characteristics were calculated. Finite element models of Timber-Concrete Composite systems are updated to minimize the differences by manual model updating procedure using some uncertain parameters such as material properties and boundary conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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