PURPOSE. Shear bond strength (SBS) test is the most commonly used method for evaluating resin bond strength of zirconia, but SBS results vary among different studies even when evaluating the same bonding strategy. The purpose of this study was to promote standardization of the SBS test in evaluating zirconia ceramic bonding and to investigate factors that may affect the SBS value of a zirconia/resin cement/composite resin bonding specimen. MATERIALS AND METHODS. The zirconia/resin cement/composite resin bonding specimens were used to simulate loading with a shear force by the three-dimensional finite element (3D FE) modeling, in which stress distribution under uniform/non-uniform load, and different resin cement thickness and different elastic modulus of resin composite were analyzed. In vitro SBS test was also performed to validate the results of 3D FE analysis. RESULTS. The loading flat width was an important affecting factor. 3D FE analysis also showed that differences in resin cement layer thickness and resin composite would lead to the variations of stress accumulation area. The SBS test result showed that the load for preparing a SBS specimen is negatively correlated with the resin cement thickness and positively correlated with SBS values. CONCLUSION. When preparing a SBS specimen for evaluating bond performance, the load flat width, the load applied during cementation, and the different composite resins used affect the SBS results and therefore should be standardized.
In order to determine the mechanical behavior of the curved laminates in practical applications, three right-angled composite brackets with different lay-ups were investigated both experimentally and numerically. In the experimental, quasi-static tests on both unidirectional and multidirectional curved composite brackets were conducted to study the progressive failure and failure modes of the curved laminates. In the numerical modeling, three-dimensional finite element analysis was used to simulate the mechanical behavior of the laminates. Here, a strength-based failure criterion, namely the Ye criterion, was used to predict the delamination failure in the composite curved laminates. The mechanical responses of the laminate subjected to off-axis tensile loading were analyzed, which include the progressive failure, the failure locations, the load-displacement relationships, the load-strain relationships, and the stress distribution around the curved region of the angled bracket. Subsequently, the effects of stacking sequence and thickness on the load carrying capacity and the stiffness of the laminates were discussed in detail. Through the experimental observation and analysis, it was found that the failure mode of all the specimens is delamination, which is initiated abruptly and develops unstably on the symmetric plane, close to the inner surface, and about $29^{\circ}$ along the circumferential direction. It was also found that the stacking sequence and the thickness have significant influences on both the load carrying capacity and the stiffness of the laminates. However, the thickness effect is less than that on the curved aluminum plate.
In this study, the inhomogeneous material composed of CFRP(carbon fiber reinforced plastic) and structural metal of SM45C is used for the light material. The finite element analysis on the basis of compact tension test was carried out by using the composite material for sandwich type bonded with the unidirectional CFRP that differs in fiber stacking angle at both sides with the core of SM 45C. CT test is the representative method to confirm the fracture behaviour due to crack in material under the load. The effect on crack and hole must be investigated in order to apply inhomogeneous material to mechanical structure. As the result of this study, the fracture behaviour by CT test of the composite material for sandwich was studied by simulation analysis. The sandwich composite of unidirectional CFRP with the stacking angle of [0/60/-60/0] has the superior strength and the maximum equivalent stress of about 182GPa.Also, the esthetic sense can be shown as the designed factor of shape with composite material is grafted onto the convergence technique.
The purpose of this study was to develop a buckling analysis technique for a windpower system structure under environmental loadings (hydrostatic pressure) using FEM. We analyzed an isotropic material and composite material and made a comparison using buckling pressure formulas. First, finite element analyses for an isotropic material (SC410) were performed to obtain the variation of buckling pressure for the number of elements and boundary conditions in a pressure-shell model, and the numerical results were compared with those of existing empirical formulas. Then, additional finite element analyses based on the results of the isotropic material (SC410) were performed to determine the optimum lamination angle and pattern for a composite material (URN300). The results of the FE analyses for the composite material were also compared with those of existing empirical formulas. The ply orientations (lamination angles) used in the FE analyses were $0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$, and. The lamination patterns in the FE analyses were and. The lamination pattern was assumed to be the equivalent model of. The results of the FE analyses for the isotropic material (SC410) indicated that the optimal values for the number of elements and the boundary conditions were 6000 and both simply supported, respectively. The results of the FE analyses for the composite material (URN300) showed that the optimal ply orientation was $60^{\circ}{\sim}75^{\circ}$.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.5
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pp.243-250
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2018
In this paper, design technique using genetic algorithms(GA) for design optimization of composite leaf springs is presented here. After the initial design has been validated by the car plate spring as a finite element model, the genetic algorithm suggests the process of optimizing the number of layers of composite materials and their angles. Through optimization process, the weight reduction process of leaf springs and the number of repetitions are compared to the existing algorithm results. The safety margin is calculated by organizing a finite element model to verify the integrity of the structure by applying an additive sequence optimized through the genetic algorithm to the structure. When GA is applied, layer thickness and layer angle of complex leaf springs have been obtained, which contributes to the achievement of minimum weight with appropriate strength and stiffness. A reduction of 65.6% original weight is reached when a leaf steel spring is replaced with a leaf composite spring under identical requirement of design parameters and optimization.
When curing the composite, the fibers have little thermal deformation, but the resin changes its properties with time and temperature, which leads to residual stress in the product. Residual stress is caused by the difference in the coefficient of thermal expansion of the fibers and resin during the curing process and the chemical shrinkage of the resin. This difference causes thermal deformation such as spring-in and warpage. Thermal deformation of composite structure is important issue on quality of product, and it should be considered in manufacturing process. In this study, a subroutine was developed to predict thermal deformation by applying 3-D viscoelastic model. The finite element analysis was verified by comparing the results of the plate analysis of the 2-D viscoelastic model. Spring-in of L-shaped structure was predicted and analyzed by applying the 3-D viscoelastic model.
This paper provides a semi-analytical approach to investigate the variations of 3D displacement components, electric potential, stresses, electric displacements and transverse vibration frequencies in laminated piezoelectric composite plates based on the scaled boundary finite element method (SBFEM) and the precise integration algorithm (PIA). The proposed approach can analyze the static and dynamic responses of multilayered piezoelectric plates with any number of laminae, various geometrical shapes, boundary conditions, thickness-to-length ratios and stacking sequences. Only a longitudinal surface of the plate is discretized into 2D elements, which helps to improve the computational efficiency. Comparing with plate theories and other numerical methods, only three displacement components and the electric potential are set as the basic unknown variables and can be represented analytically through the transverse direction. The whole derivation is built upon the three dimensional key equations of elasticity for the piezoelectric materials and no assumptions on the plate kinematics have been taken. By virtue of the equilibrium equations, the constitutive relations and the introduced set of scaled boundary coordinates, three-dimensional governing partial differential equations are converted into the second order ordinary differential matrix equation. Furthermore, aided by the introduced internal nodal force, a first order ordinary differential equation is obtained with its general solution in the form of a matrix exponent. To further improve the accuracy of the matrix exponent in the SBFEM, the PIA is employed to make sure any desired accuracy of the mechanical and electric variables. By virtue of the kinetic energy technique, the global mass matrix of the composite plates constituted by piezoelectric laminae is constructed for the first time based on the SBFEM. Finally, comparisons with the exact solutions and available results are made to confirm the accuracy and effectiveness of the developed methodology. What's more, the effect of boundary conditions, thickness-to-length ratios and stacking sequences of laminae on the distributions of natural frequencies, mechanical and electric fields in laminated piezoelectric composite plates is evaluated.
Kim, Ho Il;Ryu, Guh Yun;Kim, Joon;Kim, Kwang Min;Lee, Kyu Song;Park, Young Ju;Park, Byum Jun;Ryu, Hong Kyun
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.41
no.8
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pp.759-764
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2017
This research investigated the hygrothermal effect on the strength of bolt jointed section and moisture contents of composites exposed to hygrothermal environment for composite aircraft radome. The decrease in strength in the test environment is mainly attributed to the change in the material properties of the matrix due to temperature and moisture. The composite specimens were tested in three different environmental conditions: RTD(room temperature and dry), CTD(cold temperature and dry) and ETW(elevated temperature and wet). The failure mode of the bolt jointed composite specimens were studied using tests and finite element analysis. Finite element analysis reasonably predicted the failure load and mode of the joints. A reliability-based design was carried out for the bolt jointed composites of radome.
The basic mechanical properties of helicopter rotor blade are important parameters for the analysis of helicopter performance. However, it is difficult to estimate these properties because the most of rotor blades consist of various materials such as composite materials and metals, etc. In this paper, the bending/torsional stiffness for composite rotor blade of unmanned helicopter were evaluated through experimental and analytical studies. In finite element analysis, the bending/torsional stiffness were evaluated through the relationship of load-displacement and element stiffness matrix. The evaluated stiffness from the measured strains and displacements in bending and torsional test agreed well with the derived results of FEA.
Son, Jae Hyoung;Lee, Wook Jin;Park, Yong Ha;Park, Yong Ho;Park, Ik Min
Korean Journal of Metals and Materials
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v.48
no.5
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pp.469-475
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2010
In this study, the interfacial bond strength of a squeeze infiltrated $Al_{18}B_{4}O_{33}$/AS52 Mg composite was investigated by using a finite element method. Three types of Mg composites with volume fractions of 15, 25 and 35% were fabricated. Three-dimensional models of the composite were developed by using a unit cell model in order to determine the effective elastic modulus of the metal matrix composite and the interfacial bond strength between the whisker and magnesium matrix. After modeling, numerical results were compared with the experimental tensile test results of $Al_{18}B_{4}O_{33}$/AS52 Mg composites. The results showed that the effective modulus of the composite strongly depended on the interfacial strength between the matrix and reinforcement. Based on the numerical and experimental findings, it was found that the strong interfacial bond was achieved by the interfacial reaction product of 30 nm thick MgO, which led to an improvement in the mechanical properties of the $Al_{18}B_{4}O_{33}$/AS52 Mg composites.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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