The design of honeycomb sandwich structures is often challenging because these structures can be tailored from a variety of possible cores and face sheets configurations, therefore, the design of sandwich structures is characterized as a time-consuming and complex task. A data-driven computational approach that integrates the analytical method and Artificial Neural Network (ANN) is developed by the authors to rapidly predict the design of sandwich structures for a targeted maximum structural deflection. The elaborated ANN reverse design approach is applied to obtain the thickness of the sandwich core, the thickness of the laminated face sheets, and safety factors for composite sandwich structure. The required data for building ANN model were obtained using the governing equations of sandwich components in conjunction with the Monte Carlo Method. Then, the functional relationship between the input and output features was created using the neural network Backpropagation (BP) algorithm. The input variables were the dimensions of the sandwich structure, the applied load, the core density, and the maximum deflection, which was the reverse input given by the designer. The outstanding performance of reverse ANN model revealed through a low value of mean square error (MSE) together with the coefficient of determination (R2) close to the unity. Furthermore, the output of the model was in good agreement with the analytical solution with a maximum error 4.7%. The combination of reverse concept and ANN may provide a potentially novel approach in designing of sandwich structures. The main added value of this study is the elaboration of a reverse ANN model, which provides a low computational technique as well as savestime in the design or redesign of sandwich structures compared to analytical and finite element approaches.
Recently, as aviation industry has been activated, development of software related to composite materials has been demanded. Composite analysis requires specialized structural analysis and test evaluation. Therefore, it is necessary to use existing commercial software to analyze the composite structure, but existing commercial software only provides limited functions. Especially, since there is no specialized software for corner structure analysis of aerospace composites spa structure, much human resources and time are consumed in structural analysis. In order to solve this problem, we developed a GUI-based automation software based on user-friendly GUI that reflects the existing corner structure analysis procedure and provides multiple breakdown criteria. To verify the reliability of the structural analysis results of the developed software, it was confirmed that there is no problem in the structural analysis performance as a result of comparing with the existing analysis results.
This article describes a simple and cost effective fabrication procedure by using hand lay-up technique that is employed for the manufacturing of thin-walled axi-symmetric composite shell structures with carbon, glass and hybrid woven fabric composite materials. The hand lay-up technique is very commonly used in aerospace and marine industries for making the complicated shell structures. A generic fabrication procedure is presented in this paper aimed at manufacture of plain Carbon Fabric Reinforced Plastic (CFRP) and Glass Fabric Reinforced Plastic (GFRP) shells using hand lay-up process. This paper delivers a technical breakthrough in fabrication of composite shell structures without any joints and wrinkling. The manufacture of stiffened CFRP shells, laminated CFRP shells and hybrid (carbon/glass/epoxy) composite shells which are valued by the aerospace industry for their high strength-to-weight ratio under axial loading have also been addressed in this paper. A fabrication process document which describes the major processing steps of the composite shell manufacturing process has been presented in this paper. A study of microstructure of the glass fabric/epoxy composite, carbon fabric/epoxy composite and hybrid carbon/glass/fabric epoxy composites using Scanning Electron Microscope (SEM) has been also carried out in this paper.
This analyzed a Young's modulus (E), a thermal expansion coefficient (TEC, ${\beta}$) and a thermal conductivity (${\kappa}$) of the material with simple cubic particulate inclusion using two model structures: a parallel structure and a series structure of laminated layers. The derived ${\beta}$ equations were applied to calculate the ${\beta}$ value of the W-MgO system. The accuracy was higher for the series model structure than for the parallel model structure. Young's moduli ($E_c$) of sintered porous alumina compacts were theoretically related to the development of neck growth of grain boundary between sintered two particles and expressed as a function of porosity. The series structure model with cubic pores explained well the increased tendency of $E_c$ with neck growth rather than the parallel structure model. The thermal conductivity of the three phase system of alumina-mullite-pore was calculated by a theoretical equation developed in this research group, and compared with the experimental results. The pores in the sintered composite were treated as one phase. The measured thermal conductivity of the composite with 0.5-25% porosity (open and closed pores) was in accordance with the theoretical prediction based on the parallel structure model.
In the study, investigation of fiber- reinforced composite materials that can be an alternative to conventional steel was performed by finite element analysis with the help of software. Steel and composite materials have been studied on a four axle truck chassis model. Three-dimensional finite element model was created with software, and then analyzes were performed. The analyses were performed for static and dynamic/fatigue cases. Fatigue cases are formed with the help of design spectra model and fatigue analyses were performed as static analyses with this design spectra. First, analyses were performed for steel and after that optimization analyses were made for the AS4-PEEK carbon fiber composite and Eglass-Epoxy fiber composite materials. Optimization of composite material analyzes include determining the total laminate thickness, thickness of each ply, orientation of each ply and ply stacking sequence. Analyzes were made according to macro mechanical properties of composite, micromechanics case has not been considered. Improvements in weight reduction up to %50 provided at the end of the composite optimization analyzes with satisfying stiffness performance of chassis. Fatigue strength of the composite structure depends on various factors such as, fiber orientation, ply thickness, ply stack sequence, fiber ductility, ductility of the matrix, loading angle. Therefore, the accuracy of theoretical calculations and analyzes should be correlated by testing.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.26
no.3
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pp.21-28
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1989
The optimun laminated composition of the stiffened composite plates is studied from the view point of buckling strength. The finite element method is applied to the buckling analysis of the composite plates taking into account the effect of shear deformation through the plate thickness. The stiffened plate model is discretized using plate thickness and symmetrically stacked. Parametric study is carried out for the selection of the optimum laminate structure; optimum fiber angle sequence through the thickness. Laminate structure of $[-45^{\circ}/45^{\circ}/90^{\circ}/0^{\circ}]$, is found to give the best buckling strength. For the case of that layer number is more than eight, best result is obtained when layers of the same fiber angle are put together, leaving the laminate has the same fiber angle sequence as a whole.
In this paper, a vibration-based method using the change ratios of modal data and the experience-based learning algorithm is presented for quantifying the position, size, and interface layer of delamination in laminated composites. Three types of objective functions are examined and compared, including the ones using frequency changes only, mode shape changes only, and their combination. A fine three-dimensional FE model with constraint equations is utilized to extract modal data. A series of numerical experiments is carried out on an eight-layer quasi-isotropic symmetric (0/-45/45/90)s composited beam for investigating the influence of the objective function, the number of modal data, the noise level, and the optimization algorithms. Numerical results confirm that the frequency-and-mode-shape-changes-based technique yields excellent results in all the three delamination variables of the composites and the addition of mode shape information greatly improves the accuracy of interface layer prediction. Moreover, the EBL outperforms the other three state-of-the-art optimization algorithms for vibration-based delamination detection of composites. A laboratory test on six CFRP beams validates the frequency-and-mode-shape-changes-based technique and confirms again its superiority for delamination detection of composites.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.126-129
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2001
LIPCA (LIghtweight Piezo-composite Curved Actuator) is an actuator device which is lighter than other conventional piezoelectric ceramic type actuator. LIPCA is composed of a piezoelectric ceramic layer and fiber reinforced light composite layers, typically a PZT ceramic layer is sandwiched by a top fiber layer with low CTE (coefficient of thermal expansion) and base layers with high CTE. LIPCA has curved shape like a typical THUNDER (thin-layer composite unimorph feroelectric driver and sensor), but it is lighter an than THUNDER. Since the curved shape of LIPCA is from the thermal deformation during the manufacturing process of unsymmetrically laminated lay-up structure, an analysis for the thermal deformation and residual stresses induced during the manufacturing process is very important for an optimal design to increase the performance of LIPCA. To investigate the thermal deformation behavior and the induced residual stresses of LIPCA at room temperature, the curvatures of LIPCA were measured and compared with those predicted from the analysis using the classical lamination theory. A methodology is being studied to find an optimal stacking sequence and geometry of LIPCA to have larger specific actuating displacement and higher force. The residual stresses induced during the cooling process of the piezo-composite actuators have been calculated. A lay-up geometry for the PZT ceramic layer to have compression stress in the geometrical principal direction has been designed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.9
s.180
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pp.2292-2301
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2000
We propose an accurate and efficient estimation method of transverse shear stresses for analysis and design of laminated composite structures by 4-node quadrilateral degenerated shell elements. To get proper distributions of transverse shear stresses in each layer, we use 3-dimensional equilibrium equations instead of constitutive equations with shear correction factors which vary diversely according to the shapes of shell sections. Three dimensional equilibrium equations are integrated through the thickness direction with complete polynomial membrane stress fields, which are recovered by REP (Recovery by Equilibrium in Patches) recovery method. The 4-node quadrilateral degenerated shell element used in this paper has drilling degrees of freedom and shear stresses derived from assumed strain fields that are set up at natural coordinate systems. The numerical results demonstrate that the proposed estimation method attains reasonable accuracy and efficiency compared with other methods and FE analysis using 4-node degenerated shell elements.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.228-233
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2001
Satellite system experiences severe mechanical loads during the launch period. Therefore, positive margin of safety of the satellite system must be demonstrated for every possible mechanical loading condition during the launch period. This paper presents modal and stress analysis result due to quasi-static loads for the satellite antenna system. The failure tendency for the sandwich construction of the satellite antenna system has been studied with various lamination angles of unidirectional prepreg.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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