Control of the mechanical behavior of composite materials and structures under monotonic and dynamic loads for cracks and damage is a vast and complex area of research. The modeling of the different physical phenomena and behavior characteristics of a composite material during deformation play an important role in the structural design. Our study aims to analyze numerically the energy release rate parameter G of a composite laminated plate (glass or boron / epoxy) cross-ply [$+{\alpha}$, $-{\alpha}$] in the presence of a crack between two circular notches under the effect of several parameters such as fiber orientation ${\alpha}$, the crack orientation ${\beta}$, the orientation ${\gamma}$ of the two considered circular notches and the effect of mechanical properties. Our results show clearly that both notches orientation has more effect on G than the cracks and fibers orientations.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.4
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pp.1251-1262
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1996
In this paper, a mathematical model for a belt driven system is proposed to analyse the vibration characteristics of the driving units with belts and the free and forced vibraiton anlyses are carried out. The mathematical model for a belt-driven system includes belts, pulleys, spindle and bearings. By using Hamilton's principle, four nonlinear governing equations and twelve nonlinear boundary conditions are derived. To linearize and discretize the nonlinear governing equations and boundary conditions, the perturbation method and Galerkin method are used. Also, the free vibration analyses for various parameters of a belt driven system, which are the tension of a belt, the length of a belt, the material properties of belts, the velocity of a velt and the mass of pulley are made. The forced vibration analyses of the system are performed and the dynamic responses for main parameters are anlysed with a belt driven system.
The natural frequencies of continuous systems depend on the governing partial differential equation and can be numerically estimated using the finite element method. The accuracy and convergence of the finite element method depends on the choice of basis functions. A basis function will generally perform better if it is closely linked to the problem physics. The stiffness matrix is the same for either static or dynamic loading, hence the basis function can be chosen such that it satisfies the static part of the governing differential equation. However, in the case of a rotating beam, an exact closed form solution for the static part of the governing differential equation is not known. In this paper, we try to find an approximate solution for the static part of the governing differential equation for an uniform rotating beam. The error resulting from the approximation is minimized to generate relations between the constants assumed in the solution. This new function is used as a basis function which gives rise to shape functions which depend on position of the element in the beam, material, geometric properties and rotational speed of the beam. The results of finite element analysis with the new basis functions are verified with published literature for uniform and tapered rotating beams under different boundary conditions. Numerical results clearly show the advantage of the current approach at high rotation speeds with a reduction of 10 to 33% in the degrees of freedom required for convergence of the first five modes to four decimal places for an uniform rotating cantilever beam.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.834-837
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2005
Structural Dynamics Modification (SDM) is a very effective technique to improve structure's dynamic characteristics by adding or removing auxiliary structures, changing material properties and shape of structure. Among those of SDM technique, the method to change shape of structure has been mostly relied on engineer's experience and trial-and-error process which are very time consuming. In order to develop a systematic method to change structure shape, surface grooving technique is studied and successfully applied to HDD cover model. At first, to check the effect of mesh size, surface grooving technique was tested to the fine HDD cover FEmodel. And fur the more efficient method, the algorithm is modified. Removing the low-valued modal strain energy element among the target domain, computational effort can be greatly reduced and the result of simulation is similar with the other simulation result.
For the first time, an accurate analytical solution, based on coupled three-dimensional (3D) piezoelasticity equations, is presented for free vibration analysis of the angle-ply elastic and piezoelectric flat laminated panels under arbitrary boundary conditions. The present analytical solution is applicable to composite, sandwich and hybrid panels having arbitrary angle-ply lay-up, material properties, and boundary conditions. The modified Hamiltons principle approach has been applied to derive the weak form of governing equations where stresses, displacements, electric potential, and electric displacement field variables are considered as primary variables. Thereafter, multi-term multi-field extended Kantorovich approach (MMEKM) is employed to transform the governing equation into two sets of algebraic-ordinary differential equations (ODEs), one along in-plane (x) and other along the thickness (z) direction, respectively. These ODEs are solved in closed-form manner, which ensures the same order of accuracy for all the variables (stresses, displacements, and electric variables) by satisfying the boundary and continuity equations in exact manners. A robust algorithm is developed for extracting the natural frequencies and mode shapes. The numerical results are reported for various configurations such as elastic panels, sandwich panels and piezoelectric panels under different sets of boundary conditions. The effect of ply-angle and thickness to span ratio (s) on the dynamic behavior of the panels are also investigated. The presented 3D analytical solution will be helpful in the assessment of various 1D theories and numerical methods.
Volume shrinkage behavior accompanying the cure of resin formulations might be a critical factor when assembly processes using polymer materials are considered. In this study, cure shrinkage behavior with respect to resin formulation type and heating method was measured on sandwich structure samples by a thermomechanical analyzer (TMA). Quartz, used as a cover material for the sandwich structure, indicated the coefficient of thermal expansion close to $0ppm/^{\circ}C$. When a dynamic heating mode was conducted, a squeeze-out region and a cross-linking region for each resin formulation could be separated clearly with overlapping differential scanning calorimeter results on the TMA results. In addition, a cure shrinkage dominant region and a thermal expansion dominant region in the cross-linking region were distinguished. Consequently, the degree of cure at the initiation of the thermal expansion dominant region was successfully measured. Measurement of all resin formulations indicated the thermal expansion behavior exceeded cure shrinkage before full cure.
Nguyen, Anh P.;Banh, Thanh T.;Lee, Dongkyu;Lee, Jaehong;Kang, Joowon;Shin, Soomi
Steel and Composite Structures
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v.29
no.5
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pp.635-645
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2018
Beam-column joints play a significant role in static and dynamic performances of reinforced concrete frame structures. This study contributes a numerical approach of topologically optimal design of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) to retrofit existing beam-column connections with crack patterns. In recent, CFRP is used commonly in the rehabilitation and strengthening of concrete members due to the remarkable properties, such as lightweight, anti-corrosion and simplicity to execute construction. With the target to provide an optimal CFRP configuration to effectively retrofit the beam-column connection under semi-failure situation such as given cracks, extended finite element method (X-FEM) is used by combining with multi-material topology optimization (MTO) as a mechanical description approach for strong discontinuity state to mechanically model cracked structures. The well founded mathematical formulation of topology optimization problem for cracked structures by using multiple materials is described in detail in this study. In addition, moved and regularized Heaviside functions (MRHF), that have the role of a filter in multiple materials case, is also considered. The numerical example results illustrated in two cases of beam-column joints with stationary cracks verify the validity, benefit and supremacy of the proposed method.
Bekhadda, Ahmed;Cheikh, Abdelmadjid;Bensaid, Ismail;Hadjoui, Abdelhamid;Daikh, Ahmed A.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.6
no.3
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pp.189-206
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2019
In this work, a novel first-order shear deformation beam theory is applied to explore the vibration and buckling characteristics of thick functionally graded beams. The material properties are assumed to vary across the thickness direction in a graded form and are estimated by a power-law model. A Fourier series-based solution procedure is implemented to solve the governing equation derived from Hamilton's principle. The obtained results of natural frequencies and buckling loads of functionally graded beam are checked with those supplied in the literature and demonstrate good achievement. Influences of several parameters such as power law index, beam geometrical parameters, modulus ratio and axial load on dynamic and buckling behaviors of FGP beams are all discussed.
Conventional buckling restrained braces used in concentrically braced frames are expected to yield in both tension and compression without major degradation of capacity under severe seismic ground motions. One of the weakness points of a standard buckling restrained braced frame is the low post-yield stiffness and thus large residual deformation under moderate to severe ground motions. This phenomenon can be attributed to low post-yield stiffness of core member in a BRB. This paper introduces a multi-core buckling restrained brace. The multi-core term arises from the use of more than one core component with different steel materials, including high-performance steel (HPS-70W) and stainless steel (304L) with high strain hardening properties. Nonlinear dynamic time history analyses were conducted on variety of diagonally braced frames with different heights, in order to compare the seismic performance of regular and multi-core buckling restrained braced frames. The results exhibited that the proposed multi-core buckling restrained braces reduce inter-story and especially residual drift demands in BRBFs. In addition, the results of seismic fragility analysis designated that the probability of exceedance of residual drifts in multi-core buckling restrained braced frames is significantly lower in comparison to standard BRBFs.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.19
no.12
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pp.34-41
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2020
Ready-mixed concrete is unconsolidated concrete typically transported to construction sites by using mixer trucks. A proper rotation of concrete is necessary to prevent its solidification in mixer trucks during transport: in accordance with the manufacturing method and quality inspection prescribed in KSF4009, this movement is maintained after the manufacturing of concrete in professional production plants and the addition of water, solid materials, and admixtures. Unfortunately, mixer truck parts wear out over long periods of time. In order to improve the wear resistance of the main part of mixer trucks, we used a steel plate with good wear resistance or partially added a reinforcement plate. In this study, we first tested the properties of concrete (as required for the DEM), and then carried out mixing and discharge simulations to define the actual operating conditions of mixer trucks. For each condition, we calculated the amount and location of wear. The reliability of our results was finally verified by comparing them with the measurement values. Overall, this study provided basic data for an optimal design of mixer trucks: one that would reduce the vehicles' weight and production costs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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