This paper addresses the dynamic loading characteristics of the shock tube onto sandwich steel beams as an efficient and accurate alternative to time consuming and complicated fluid structure interaction using finite element modeling. The corrugated sandwich steel beam consists of top and bottom flat substrates of steel 1018 and corrugated cores of steel 1008. The corrugated core layers are arranged with non-uniform thicknesses thus making sandwich beam graded. This sandwich beam is analogous to a steel beam with web and flanges. Substrates correspond to flanges and cores to web. The stress-strain relations of steel 1018 at high strain rates are measured using the split-Hopkinson pressure. Both carbon steels are assumed to follow bilinear strain hardening and strain rate-dependence. The present finite element modeling procedure with an improved dynamic impulse loading assumption is validated with a set of shock tube experiments, and it provides excellent correlation based on Russell error estimation with the test results. Four corrugated graded steel core arrangements are taken into account for core design parameters in order to maximize mitigation of blast load effects onto the structure. In addition, numerical study of four corrugated steel core placed in a reverse order is done using the validated finite element model. The dynamic behavior of the reversed steel core arrangement is compared with the normal core arrangement for deflections, contact force between support and specimen and plastic energy absorption.
The thermal eigenvalue responses of the graded sandwich shell structure are evaluated numerically under the variable thermal loadings considering the temperature-dependent properties. The polynomial type rule-based sandwich panel model is derived using higher-order type kinematics considering the shear deformation in the framework of the equivalent single-layer theory. The frequency values are computed through an own home-made computer code (MATLAB environment) prepared using the finite element type higher-order formulation. The sandwich face-sheets and the metal core are discretized via isoparametric quadrilateral Lagrangian element. The model convergence is checked by solving the similar type published numerical examples in the open domain and extended for the comparison of natural frequencies to have the final confirmation of the model accuracy. Also, the influence of each variable structural parameter, i.e. the curvature ratios, core-face thickness ratios, end-support conditions, the power-law indices and sandwich types (symmetrical and unsymmetrical) on the thermal frequencies of FG sandwich curved shell panel model. The solutions are helping to bring out the necessary influence of one or more parameters on the frequencies. The effects of individual and the combined parameters as well as the temperature profiles (uniform, linear and nonlinear) are examined through several numerical examples, which affect the structural strength/stiffness values. The present study may help in designing the future graded structures which are under the influence of the variable temperature loading.
An analytical approach for the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with a functionally graded (FG) core is presented. It is considered that the FG distribution is in the direction of thickness. The material properties are temperature-dependent. The sandwich cylindrical shell with a FG core is considered with two cases. In the first model, i.e., Ceramic-FGM-Metal (CFM), the interior layer of the cylindrical shell is rich metal while the exterior layer is rich ceramic and the FG material is located between two layers and for the second model i.e., Metal-FGM-Ceramic (MFC), the material distribution is in reverse order. This study develops Carrera's Unified Formulation (CUF) to analyze sandwich cylindrical shell with an FG core for the first time. Considering the Principle of Virtual Displacements (PVDs) according to the CUF, the dependent boundary conditions and governing equations are obtained. The coupled governing equations are derived using Galerkin's method. In order to validate the present results, comparisons are made with the available solutions in the previous researches. The effects of different geometrical and material parameters on the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with an FG core are examined.
Improving the blast resistance of structural establishments has become an imperative engineering commitment to prevent property damage and fatalities in terrorist incidents. This study investigates the effects of blast mass and stand-off distance on CFRP skin concrete core sandwich bunkers of varying thicknesses using ABAQUS/Explicit software with CONWEP functionality. The considered parameters include TNT masses of 1, 10, and 25 kg and stand-off distances of 0.1, 1, 2, and 2.5 meters on structures with 200, 250, and 500 mm core thicknesses. The study finds that there exists a declining response corresponding to the blasting mass reduction coupled with increases in the stand-off distance and core thickness. The 500 mm thick bunker sustains less damage compared to those with 200 mm and 250 mm core thicknesses. The sandwich configuration remains structurally advantageous vs. those without skins. The sandwich bunker with a 500 mm thick concrete core gives the best performance against the 10 kg TNT blast load with a 1 m standoff distance exhibiting a 22.8% reduction in damage vs. that without skins. Mathematical expressions are then formulated for predicting maximum von Mises stress, principal stress, and displacement of sandwich bunkers as functions of TNT masses, stand-off distances, and core thicknesses.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.27
no.8
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pp.76-83
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2010
Metallic sandwich panels with pyramidal truss structures are high-stiffness and high-strength materials with low weight. In particular, bulk structures have enough space for additional multi-functionalities. In this work, in order to fabricate 3-D structures efficiently, Layered Manufacturing Method (LMM) which was composed of three steps, including crimping process, stacking process and bonding process using rapid infrared brazing, was proposed. The joining time was drastically reduced by employing infrared brazing of which heating rate and cooling rate were faster than those of conventional furnace brazing. By controlling the initial cooling rate slowly, the bonding strength was improved up to the level of strength by conventional vacuum brazing. The observation of infrared brazed specimens by optical microscope and SEM showed no defect on the joining sections. The experiments of 1-layered pyramidal structures and 2-layered pyramidal structures subject to 3-point bending were conducted to determine structural advantages of multilayered structures. From the results, the multi-layered structure has superior mechanical properties to the single-layered structure.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2007.05a
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pp.262-265
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2007
Metallic sandwich plates constructed of two face sheets and low relative density cores have lightweight characteristics and various static and dynamic load bearing functions. To predict the formability and performance of these structured materials, a computationally efficient FE-analysis method incorporating virtual equivalent projected model has been newly introduced for analysis of metallic sandwich plates. Two dimensional models using the projected shapes of 3D structures have the same equivalent elastic-plastic properties with original geometries including anisotropic stiffness, yield strength and linear hardening function. The projected shapes and virtual properties of the virtual equivalent projected model have been estimated analytically with the same equivalent properties and face buckling strength of 3D pyramidal truss core.
A refined higher-order shear deformation theory for bending, vibration and buckling analysis of functionally graded sandwich plates is presented in this paper. It contains only four unknowns, accounts for a hyperbolic distribution of transverse shear stress and satisfies the traction free boundary conditions. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. The Navier-type and finite element solutions are derived for plate with simply-supported and various boundary conditions, respectively. Numerical examples are presented for functionally graded sandwich plates with homogeneous hardcore and softcore to verify the validity of the developed theory. It is observed that the present theory with four unknowns predicts the response accurately and efficiently.
To gain more knowledge of aluminum foam sandwich structure and promote the engineering application, aluminum foam sandwich consisting of 7050 matrix aluminum foam core and 304 stainless steel face-sheets was studied under three-point bending by WDW-T100 electronic universal tensile testing machine in this work. Results showed that when aluminum foam core was reinforced by 304 steel face-sheets, its load carrying capacity improved dramatically. The maximum load of AFS in three-point bending increased with the foam core density or face-sheet thickness monotonically. And also when foam core was reinforced by 304 steel panels, the energy absorption ability of foam came into play effectively. There was a clear plastic platform in the load-displacement curve of AFS in three-point bending. No crack of 304 steel happened in the present tests. Two collapse modes appeared, mode A comprised plastic hinge formation at the mid-span of the sandwich beam, with shear yielding of the core. Mode B consisted of plastic hinge formation both at mid-span and at the outer supports.
In this paper, the response of a sandwich cylindrical shell over any sort of boundary conditions and under a general distributed static loading is investigated. The faces and the core are made of some isotropic materials. The faces are modeled as thin cylindrical shells obeying the Kirchhoff-Love assumptions. For the core material it is assumed to be thick and the in-plane stresses are negligible. The governing equations are derived using the principle of the stationary potential energy. Using harmonic differential quadrature method (HDQM) the equations are solved for deformation components. The obtained results primarily are compared against finite element results. Then, the effects of changing different parameters on the stress and displacement components of sandwich cylindrical shells are investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.11
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pp.1124-1130
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2007
This paper presents a new way for fabricating sandwich plates with tetrahedral truss cores. The tetrahedral truss cores are manufactured through metal expanding and bending process and then brazed with solid face sheets. The properties of sandwich plates with the tetrahedral truss cores composed of a wrought steel SS41 under compression and shear loading have been investigated. Good agreement is observed between the measured and predicted peak strengths. Comparisons with normalized compressive strength for other cellular metals have indicated that the tetrahedral truss structures outperform aluminum open cell forms and woven core sandwich plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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