Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.52
no.2
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pp.143-152
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2015
In the present study, the fiber and matrix failure of composite laminates under arbitrary biaxial stresses were evaluated based on separate mode criteria such as Hasnin and Puck theories. There is a limitation to predict the fiber-dominant and/or matrix-dominant failures under arbitrary stress states using limit criteria (maximum stress and maximum strain theories) and interactive criteria (Tsai-Hill and Tsai-Wu theories). There is little literature for failure analysis of ships and offshore composite structures considering advanced failure theories such as Hashin and Puck theories. Furthermore, there is not enough practical commercial finite element analysis (FEA) code which is basically adopted the separate mode criteria. Hence, in the present study, the user-defined subroutine of commercial FEA code ABAQUS for evaluation of fiber and matrix failures of composite structures was developed based on Hashin and Puck failure criteria. And then, the proposed subroutine was validated by comparing with a series of experimental results of carbon- and glass-implemented composite laminates to guarantee the reliability and usefulness of the developed method.
Aghaei, Manizheh;Forouzan, Mohammad R.;Nikforouz, Mehdi;Shahabi, Elham
Steel and Composite Structures
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v.18
no.5
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pp.1291-1303
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2015
Damage caused by low velocity impact is so dangerous in composites because although in most cases it is not visible to the eye, it can greatly reduce the strength of the composite material. In this paper, damage development in U-section glass/polyester pultruded beams subjected to low velocity impact was considered. Different failure criteria such as Maximum stress, Maximum strain, Hou, Hashin and the combination of Maximum strain criteria for fiber failure and Hou criteria for matrix failure were programmed and implemented in ABAQUS software via a user subroutine VUMAT. A suitable degradation model was also considered for reducing material constants due to damage. Experimental tests, which performed to validate numerical results, showed that Hashin and Hou failure criteria have better accuracy in predicting force-time history than the other three criteria. However, maximum stress and Hashin failure criteria had the best prediction for damage area, in comparison with the other three criteria. Finally in order to compare numerical model with the experimental results in terms of extent of damage, bending test was performed after impact and the behavior of the beam was considered.
Kim, Pyunghwa;Kim, Sungmin;Doh, Sungchul;Yoon, Donghyun;Park, Jungsun
Journal of Aerospace System Engineering
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v.13
no.6
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pp.26-35
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2019
In this paper, progressive failure analysis is performed on composite joints widely used in various industries such as the aerospace industry. The analysis was conducted on single bolted joints to confirm its reliability and in succession on double-bolted composite joints as well to study the characteristics of progressive failure. Hashin failure criteria and EGDM (energy based gradual degradation model) were used for the analysis. Failure variables are defined by four failure modes, respectively. According to the variables, stiffness degradation has been calculated. As a result of comparing the test and analysis results of single-bolted joints, the error was below 5% and it showed that the analytical results are rather credible. Also, the parametric analysis consequences were obtained conducting the process-progressive failure analysis on the double-bolted composite joints considering edge-distance ratio (e/d ratio) and bolt spacing.
The process of material failure i.e. cracks development and their propagation in an experiment related to the bending collapse of cross laminated timber plate with ribs is described. Numerical simulation of such an experiment by the nonlinear finite element method is presented. The numerical model is based on Hashin failure criteria, initially developed for unidirectional composites, and on material softening concept applied by the smeared crack approach. It is shown that such a numerical model can be used for an estimation of the limit load and the limit displacement of a cross laminated timber ribbed plate.
This paper deals with predicting comparable mechanical properties of laminated composite plates. The stiffness of an equivalent anisotropic composite plate is derived based on classical lamination theory. A novel failure criterion is defined to describe the failure behaviour of laminated composite plates based on micro-mechanics failure criteria. Finally, the theory's validation of finite element analysis results was verified. We concluded that this theory is very suitable for failure analysis of laminated composite plates for aerospace applications due to their relative simplicity and computational efficiency.
The present study aims to investigate the ultimate strength and geometric nonlinear behavior of composite plates containing initial imperfection subjected to combined end-shortening strain and lateral pressure loading by using a semi-analytical method. In this study, the first order shear deformation plate theory is considered with the assumption of large deflections. Regarding in-plane boundary conditions, two adjacent edges of the laminates are completely held while the two others can move straightly. The formulations are based on the concept of the principle of minimum potential energy and Newton-Raphson technique is employed to solve the nonlinear set of algebraic equations. In addition, Hashin failure criteria are selected to predict the failures. Further, two distinct models are assumed to reduce the mechanical properties of the failure location, complete ply degradation model, and ply region degradation model. Degrading the material properties is assumed to be instantaneous. Finally, laminates having a wide range of thicknesses and initial geometric imperfections with different intensities of pressure load are analyzed and discuss how the ultimate strength of the plates changes.
Membrane type Mark III cargo containment system (CCS) is considered in this study to investigate its strength capability under applied loads due to liquefied natural gas (LNG) cargo. A rectangular plated structure supported by inner hull structure is exemplified from Mark III CCS according to classification society's guidance and it is assumed as multi-layered structure by stacking plywood, triplex, reinforced polyurethane (PU) foam and series of mastic upon inner hull structure. Commercially available general purpose finite element analysis package is used to have reliable FE models of Mark III CCS plate. The FE models and anisotropic failure criteria such as maximum stress, Hoffman, Hill, Tsai-Wu and Hashin taking into account the direction dependent material properties of Mark III CCS plate components and their material properties considering a wide variation of temperature due to the nature of LNG together form the strength analysis procedure of Mark III CCS plate. Strength capability of Mark III CCS plate is understood by its initial failure and post-initial failure states. Results are represented in terms of failure loads and locations when initial failure and post-initial failures are occurred respectively. From the results the basic design information of Mark III CCS plate is given.
The objective of this work is to predict the failure loads, associated maximum transverse displacements, locations and the modes of failure, including the onset of delamination, of thin, flat, square symmetric laminates under the action of uni-axial compression. Two progressive failure analyses, one using Hashin criterion and the other using Tensor polynomial criteria, are used in conjunction with the finite element method. First order shear deformation theory and geometric nonlinearity in the von Karman sense have been employed. Five different types of lay-up sequence are considered for laminates with all edges simply supported. In addition, two boundary conditions, one with all edges fixed and other with mixed boundary conditions for $(+45/-45/0/90)_{2s}$ quasi-isotropic laminate have also been considered to study the effect of boundary restraints on the failure loads and the corresponding modes of failure. A comparison of linear and nonlinear results is also made for $({\pm}45/0/90)_{2s}$ quasi-isotropic laminate. It is observed that the maximum difference between the failure loads predicted by various criteria depend strongly on the laminate lay-ups and the flexural boundary restraints. Laminates with clamped edges are found to be more susceptible to failure due to the transverse shear and delamination, while those with the simply supported edges undergo total collapse at a load slightly higher than the fiber failure load.
This paper presents the strengthening of tubular joint by wrapping Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and glass fiber reinforced polymer (GFRP). In this study, total number of layers, stacking sequence and length of wrapping are the different parameters involved when fiber reinforced polymers (FRP) composites are used for strengthening. For this, parameters where varied and results were compared with the reference joint. The best stacking sequence was identified which has the highest value in ultimate load with lesser deflections. For determining the best stacking sequence, numerical investigation was performed on CFRP composites; length of wrapping and number of layers were fixed. Later, the studies were focused on CFRP and GFRP strengthened joint by varying the total number of layers and length of wrapping. An attempt was done to propose a parametric equation from multiple regression analysis, which can be used for CFRP strengthened joints. Hashin failure criteria was used to check the failure of composites. Results revealed that FRP was having a greater influence in the load bearing capacity of joints, and in reducing the deflections and stresses of joint under axial compressive loads. It was also seen that, CFRP was far better than GFRP in reducing the stresses and deflection.
Ghannadpour, S.A.M.;Shakeri, M.;Barvaj, A. Kurkaani
Steel and Composite Structures
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v.29
no.6
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pp.785-802
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2018
In this paper, two different computational methods, called Rayleigh-Ritz and collocation are developed to estimate the ultimate strength of composite plates. Progressive damage behavior of moderately thick composite laminated plates is studied under in-plane compressive load and uniform lateral pressure. The formulations of both methods are based on the concept of the principle of minimum potential energy. First order shear deformation theory and the assumption of large deflections are used to develop the equilibrium equations of laminated plates. Therefore, Newton-Raphson technique will be used to solve the obtained system of nonlinear algebraic equations. In Rayleigh-Ritz method, two degradation models called complete and region degradation models are used to estimate the degradation zone around the failure location. In the second method, a new energy based collocation technique is introduced in which the domain of the plate is discretized into the Legendre-Gauss-Lobatto points. In this new method, in addition to the two previous models, the new model named node degradation model will also be used in which the material properties of the area just around the failed node are reduced. To predict the failure location, Hashin failure criteria have been used and the corresponding material properties of the failed zone are reduced instantaneously. Approximation of the displacement fields is performed by suitable harmonic functions in the Rayleigh-Ritz method and by Legendre basis functions (LBFs) in the second method. Finally, the results will be calculated and discussions will be conducted on the methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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