Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2004.04a
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pp.67-70
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2004
An investigation was performed to study the impact damage of the laminated composite plates caused by a low- velocity foreign object with multi-scale modeling based on the concepts of Direct Numerical Simulation (DNS)[4]. In the micro-scale part, we discretize the composite plates through separate modeling of fiber and matrix for the local microscopic analysis. A micro-scalemodel was developed for predicting the initiation of the damage and the extent of the final damage as a function of material properties, laminate configuration and the impactor's mass, etc. Anda macro-scale model was developed for description of global dynamic behavior. The connection betweenmicroscopic and macroscopic is implemented by the tied interface constraints of LS-DYNA contact card. A transient dynamic finite element analysis was adopted for calculating the contact force history and the stresses and strains inside the composites during impact resulting from a point-nose impactor. The low-velocity impact events such as contact force, deformation, etc. are simulated in the macroscopic sense and the impact damages, fiber-breakage, matrix cracking and delamination etc. are examined in the microscopic sense.
A number of mode shape-based structure damage identification methods have been verified by numerical simulations or experiments for on-line structure health monitoring (SHM). However, many of them need a baseline mode shape generated by the healthy structure serving as a reference to identify damages. Otherwise these methods can hardly perform well when multiple cracks conditions occur. So it is important to solve the problems above. By aid of the fractal dimension method (FD), Qiao and Wang proposed a generalized fractal dimension (GFD) to detect the delamination damage. As a modification of GFD, Qiao and Cao proposed the approximate waveform capacity dimension (AWCD) technique to simplify the calculation of fractal and overcome the false peak appearing in the high mode shapes. Based on their valued work, this paper combined and applied the AWCD method and curvature mode shape data to detect multiple damages in beam. In the end, the identification properties of the AWCD for multiple damages have been verified by groups of Monte Carlo simulations and experiments.
This is a study on the distribution of acoustic emission parameters during a burst test for a type-II CNG vehicle fuel tank. A resonant AE sensor with a central frequency of 150 kHz was attached to the composite materials in the center of the fuel tank. The pressure was increased from 30 to 100% of the expected burst pressure and was maintained for 10 minutes at each level. Damage at 70% of expected burst pressure occurred by various damage mechanisms including fiber breakage and delamination, while that of below 60% only occurred by matrix crack initiation and growth. The count, duration and rise time of the AE signal at 60% of the expected burst pressure are distributed below 500, 5000 ${\mu}s$ and 300 ${\mu}s$, respectively. Then, at above 70% they increased with pressure by superimposing of individual AE signal generated at a nearby place. These results confirmed that the analysis of the distribution of AE parameters is an effective tool for estimating damage of a CNG fuel tank.
In this study, damage resulting from internal flaws was investigated by finite element analysis for the safety evaluation of a non-destructive testing platform for hydrogen pressure vessels. A specimen was modeled and calculated using finite element analysis to determine material properties in accordance with the parameters of the composite material in order to assess the safety of the Type 4 hydrogen pressure vessel. Through this, flaws in the hydrogen pressure vessel were modeled, and test conditions were provided in accordance with rules to look into whether there was safety. Delamination, foreign object, and vertical cracks were modeled for internal flaws, and damage was examined in accordance with failure criteria. As the delamination defect approached the interior of the hydrogen pressure tank, it became more likely to cause damage. Additionally, as the crack depth grew in the case of vertical cracks, the likelihood of crack propagation rose. On the other hand, it was anticipated that the foreign item defect would suffer more damage from the outside in. A non-destructive testing platform will be used to assess the safety of fuel cell vehicles that are already in operation in future research.
The piezoelectric thin film sensor can be used to interpret variations in structural and material properties, e.g. for structural integrity monitoring and assessment. To illustrate one of this potential benefit, PVDF (polyvinylidene fluoride) film sensors are used for monitoring impact damage in Gr/Ep composite panels. Both PVDF film sensors and strain gages are attached to the surface of Gr/Ep specimens. A series of impact tests at various impact energy by changing impact mass the height are performed on the instrumented drop weight impact tester. The sensor responses are carefully examined to predict the onset of impact damage such as indentation, matrix cracking, and delamination, etc. Test results show that the particular waveforms of sensor signals implying the damage initiation and development are detected above the damage initiation impact energy. As expected, the PVDF film sensor is found to be more sensitive to impact damage initiation event than the strain gage.
Park, Hong-Sun;Choi, Jung-Hun;Koo, Jae-Mean;Seok, Chang-Sung
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.6
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pp.757-762
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2010
Owing to the high specific strength and stiffness of composite materials, they are extensively used in mechanical systems and in vehicle industries. However, most mechanical structures experience repeated load and fatigue. Therefore, it is important to perform fatigue analysis of fiber-reinforced composites. The properties of composite laminates vary depending upon the stacking sequence and stacking direction. Fatigue damage of composite laminates occurs according to the following sequence: matrix cracking, delamination, and fiber breakage. In this study, fatigue tests were performed for damage analysis. Fatigue damages, which have to be considered in fatigue analysis, are determined by using the stiffness values calculated from hysteresis loops, and the obtained fatigue damage curve is examined using Mao's equation and Abdelal's equation.
Damage induced by low velocity impact loading in aircraft composite laminates is the form of failure which is occurred frequently in aircraft. Low velocity impact can be caused either by maintenance accidents with tool drops or by in-flight impacts with debris. As the consequences of impact loading in composite laminates, matrix cracking, delamination and eventually fiber breakage for higher impact energies can be occurred. Even when no visible impact damage is observed, damage can exist inside of composite laminates and the carrying load of the composite laminates is considerably reduced. The reduction of strength and stiffness by impact loading occurs in compressive loading due to laminate buckling in the delaminated areas. The objective of this study is to determine inside damage of composite laminates by impact loading and to determine residual compressive strength and the damage growth mechanisms of impacted composite laminates. For this purpose a series of impact and compression after impact tests are carried out on composite laminates made of carbon fiber reinforced epoxy resin matrix with lay up pattern of $[({\pm}45)(0/90)_2]s$ and $[({\pm}45)(0)_3(90)(0)_3({\pm}45)]$. UT-C scan is used to determine impact damage characteristics and CAI(Compression After Impact) tests are carried out to evaluate quantitatively reduction of compressive strength by impact loading.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.21
no.4
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pp.425-433
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2001
A correlation between fatigue damage and acousto-ultrasonic (AU) parameters has been obtained from signals acquired during fatigue loading of the single-lap joints of a carbon-fiber reinforced plastic (CFRP) laminates and A16061 plate. The correlation showed an analogy to those representing the stiffness reduction $(E/E_0)$ of polymer matrix composites by the accumulation of fatigue damage. This has been attributed to the transmission characteristics of acoustic wave energy through bonded joints with delamination-type defects and their influence on the change of spectral content of AU signals. Another correlation between fatigue cycles and the spectral magnitude of acoustic emission (AE) signals has also been found during the final stage of fatigue loading. Both AU and AE can be applied almost in real-time to monitor the evolution of damage during fatigue loading.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.10
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pp.1824-1832
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1992
This study investigated the compressive Young's modulus and the impactinduced damage of CFRP angle-ply laminate under same impact energy condition. The specimens of angle-ply laminate composites [0.deg.$_{6}$/ .theta..deg.$_{10}$/ 0.deg.$_{6}$] with .theta..deg. =30.deg., 45.deg., 60.deg. and 90.deg. were employed, and damaged by steel balls of diameter of 5mm and 10mm propelled by air gun type impact testing machine. The impact damaged zones were observed through a scanning acoustic microscope(SAM), and their cross-sections were observed through a scanning electron microscope(SEM). The compressive Young's moduli before and after impact were measured, and compared with the theoretical values calculated. The results obtained were as follows: (1) The damage areas on the interfacial boundaries showed more severe change on the back side interface than on the impact side interface with increasing ply-angle. (2) The damage areas on the interfacial boundaries became larger with increasing impact velocity or ply-angle. (3) The impact damaged zone showed the delamination on the interfacial boundaries and transverse cracks inside laminas. (4) The impact damaged zone was affected by the impactor size and speed or ply-angle under same impact energy condition. (5) Compressive Young's moduli before and after impact were lower than theoretical value, but showed a similar change according to ply-angle. (6) Compressive Young's moduli after impact were higher than those before impact, but there was no remarkable change in apparent compressive modulus after impact.t.act.
The piezoelectric thin film sensor has good characteristics to observe the impact responses of composite structures. The capabilities for monitoring impact behavior of Gr/Ep laminates subjected to damage-induced impact using the PVDF(polyvinylidene fluoride) film sensor were examined. For a series of low-velocity impact tests from low energy to damage-induced energy, simulated sensor signals were compared with measured signals and the PVDF film sensor. Local impact damages(matrix cracking and delamination) were found at three impact tests, but the measured signals agreed well with the simulated sensor signals based on the linear relationship between the impact forces and the PVDF film sensor signals. And the inverse technique was applied to reconstruct the impact forces using the PVDF film sensor signals. Most of reconstructed impact forces had good agreement with the measured forces. The comparison results showed that the local damage due. to low-velocity impact didn't disturb the global impact responses of composite laminates and the reconstruction of impact forces from PVDF sensor signals wasn't affected by the local damage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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