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.
The damage characters of scarf repaired composite laminates subjected to low-velocity impact with various energy levels at different locations are studied experimentally. The results are compared with those of the original laminates which have no initial damage and don't need repair. The impact load-time history of the specimens, the velocity-time curves of the impactor, the post impact compressive strength of the specimens and the C-scan photographs of the damaged regions are obtained. The delamination threshold load and damage character of the specimen section at impact point are also studied. The results have shown that the impact response of a repaired composite laminate is sensitive to the location of the impact. The impact load and the delamination threshold load have shown different characters for specimens with different impact locations. The debonding characters of the adhesive and compressive strength after impact of the specimens are also influenced by impact locations.
Internal and external corrosion are common in pressure pipes used in a variety of industries, often resulting in defects that compromise their integrity. This economically and industrially significant problem calls for both preventive and curative technical solutions to guarantee the reliability of these structures. With this in mind, our study focuses on the influence of composite and metallic patch repairs on the limit loads of pipes, particularly elbows, the critical component of piping systems. To this end, we used the nonlinear extended finite element method (X-FEM) to study elbows, a priori corroded on the internal surface of the extrados section, then repaired with composite and metallic patches. In addition, the effect of the geometry of composite materials and metal patches was examined, in particular the effect of their thickness and material on the increase in limit loads of repaired structures. The results obtained provide information on the effectiveness and optimization of patch repair of corroded elbows, with the aim of increasing their service life.
Kim, Byung-Guk;Shin, Young-Soo;Hong, Gi-Suop;Hong, Yung-Kyun;Choi, Oan-Chul
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.1
no.1
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pp.107-112
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1997
A series of reinforced concrete beams was tested to evaluate the flexural performance of the repaired RC beams. The key parameters for this study were the size and location of the patch, and the repair materials, including polymer, polymer-cementitious and cementitious materials. The repaired specimens failed by a typical flexural mode with minor interfacial bond failure. Beams repaired with polymer, polymer-cementitious and cementitious materials recover 100%, 91%, and 97% of the flexural strength respectively, while beams with cement mortar lose approximately 30% of the strength. Compared with the pressure injection techniques the specimens repaired with patching techniques show low flexural strength, with significant interfacial bond failure. Location and size of the repaired part do not affect the recovering performance. Interfacial behavior between repair and strengthening materials is the major influencing factor for the composite structures.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.2
no.3
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pp.5-10
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2001
Due to the development of high-strength fibers and adhesives, it is now possible to repair cracked metallic plates by bonding reinforced patches to the plate over the crack. In this study, pre-cracked aluminum 6061-T6 alloy plates repaired with bonded carbon/epoxy composite patch are applied to investigate the effect of various patch shapes on the tensile strength and the fatigue behavior of the structure. A non-patch-boned cased and 2 type-50$\times$50, 40$\times$20 mm-composite patch-bonded cases were tested to obtain fracture loads and fatigue crack growth rate. The results showed that the patch-bonded repair improves the static strength by 17% and the fatigue life by 200% compared to non-repaired case. It means that patch-boned repair is more effective in the fatigue life. It was also revealed that the patching method along crack growth direction is more efficient in cost and weight reduction. By observing the fractography, patch-bonded repair specimens demonstrated zigzag fracture patterns compared with the non-patched specimens, which shows a typical ductile fracture.
The use of composite patches for the reduction of stresses at the level of the damaged zone in aeronautical structures has experienced rapid expansion given its advantages over conventional mechanical processes (riveting, bolting, etc.). Initially, The research axes in this field were aimed at choosing suitable mechanical properties for the composite and the adhesive, then to optimize the shape of the composite patch in order to ensure good load transfer and avoid having a debonding at the level of the edges essentially for the case of a repair by single side where the bending moment is present due to the non-symmetry of the structure. Our work falls within this context; the objective is to analyze by the finite element method the fracture behavior of a damaged plate repaired by composite patch. Stress reduction at the edge is accomplished by creating a variable angle chamfer on the composite patch. The effects of the crack length, the laminate sequence and the nature of the patch as well as the use of a hybrid patch were investigated. The results show clearly that a beveled patch reduces the stress concentrations in the damaged area and even at its edges. The hybrid patch also ensures good durability of the repair by optimizing its stacking sequence and the location of the different layers according to the fibers orientations.
This paper presents the structural identification of an arch dam model for the damaged, repaired and strengthened conditions under different water levels. For this aim, an arch dam-reservoir-foundation model has been constructed. Ambient vibration tests have been performed on the damaged, repaired and strengthened dam models for the empty reservoir (0 cm), 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm and full reservoir (60 cm) water levels to illustrate the effects of water levels on the dynamics characteristics. Enhanced Frequency Domain Decomposition Method in the frequency domain has been used to extract the dynamic characteristics. The dynamic characteristics obtained from the damaged, repaired and strengthened dam models show that the natural frequencies and damping ratios are considerably affected from the varying water level. The maximum differences between the frequencies for the empty and full reservoir are obtained as 16%, 33%, and 25% for damaged, repaired and strengthened model respectively. Mode shapes obtained from the all models are not affected by the increasing water level. Also, after the repairing and strengthening implementations, the natural frequencies of the arch dam model increase significantly. After strengthening, between 46-92% and 43-62% recovery in the frequencies are calculated for empty and full reservoir respectively. Apparently, after strengthening implementation, the mode shapes obtained are more acceptable and distinctive compared to those for the damaged model.
Composite patch repair of cracked aircraft structures has been accepted as one of improving fatigue life and attaining better structural integrity. Analysis for the stress intensity factor at the skin/stiffener structure with inclined central crack repaired by composite stiffened panels are developed. A numerical investigation was conducted to characterize the fracture behavior and crack growth behavior. In order to investigate the crack growth direction, maximum tangential stress(MTS) criteria is used. The main objective of this research is the validation of the inclined crack patching design. In this paper, the reduction of stress intensity factors at the crack-tip and prediction of crack growth direction are determined to evaluate the effects of various non-dimensional design parameter including; composite patch thickness and stiffener distance. The research on cracked structure subjected to mixed mode loading is accomplished and it is evident that more work using different approaches is necessary.
Errouane, H.;Deghoul, N.;Sereir, Z.;Chateauneuf, A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.3
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pp.325-334
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2017
In the present study, a numerical model for probability analysis of optimal design of fatigue non-uniform crack growth behaviour of a cracked aluminium 2024 T3 plate repaired with a bonded composite patch is investigated. The proposed 3D numerical model has advanced in literatures, which gathers in a unique study: problems of reliability, optimization, fatigue, cracks and repair of plates subjected to tensile loadings. To achieve this aim, a finite element modelling is carried out to determine the evolution of the stress intensity factor at the crack tip Paris law is used to predict the fatigue life for a give n crack. To have an optimal volume of our patch satisfied the practical fatigue life, a procedure of optimization is proposed. Finally, the probabilistic analysis is performed in order to a show that optimized patch design is influenced by uncertainties related to mechanical and geometrical properties during the manufacturing process.
The objective of this work was to evaluate the ductile cracked structures with bonded composite patch used in probabilistic elastic plastic fracture mechanics subjected to tensile load. The finite element method is used to analyze the stress intensity factors for elastic case, the effect of cracks and the thickness of the patch ($e_r$) are presented for calculating the stress intensity factors. For elastic-plastic the Monte Carlo method is used to predict the distribution function of the mechanical response. According to the obtained results, we note that the stress variations are important factors influencing on the distribution function of (J/Je).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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