Flexural Fatigue Behavior of Cross-Ply Laminates: An Experimental Approach

Within an experimental approach we describe the mechanical behavior of different resin-epoxy laminates reinforced with cross-ply Kevlar and glass fibers under the conditions of static and cyclic three-point bending. In static tests, we consider the effect of stacking sequence, the thickness of 90°-oriented layers, reinforcement type on the mechanical behavior of laminates under loading and on realization of various damage modes leading to rupture. Cyclic loading studies have been performed in two steps. In the first stage, we inquire into the dependence of the behavior and durability of four glass fiber- reinforced laminate-types on the stacking sequence; the second stage is devoted to studying the dependence of cyclic strength and fatigue behavior of laminates on the reinforcement type. Fatigue tests are carried out in load-control regime for glass and hybrid (Kevlar + glass) fiber laminates. Fatigue curves are constructed in coordinates “stress - number of cycles until fracture” from the criteria corresponding to a drop in stiffness by 5 and 10%. Analysis of the results obtained permits evaluation of the effect of the stacking sequence and the reinforcement type on the behavior of cross-ply laminates in cyclic loading. The presence of Kevlar fibers accounts for nonlinear behavior of laminates in static tests and for low cyclic strength in fatigue tests under three-point bending.В рамках экспериментального подхода описано механическое поведение различных ламинатов с матрицей из эпоксидной смолы, перекрестно-армированных кевларовыми волокнами и стекловолокнами, в условиях статического и циклического трехточечного изгиба. При статических испытаниях рассматриваются последовательность укладки слоев и волокон, толщины слоев, ориентированных под углом 90° и влияние типа армирования на механическое поведение ламинатов в процессе нагружения, а также на реализацию различных режимов повреждения, приводящих к разрушению. Исследования при циклическом нагружении состоят из двух этапов. На первом этапе изучается влияние последовательности укладки слоев и волокон на поведение и долговечность четырех типов ламинатов, армированных стекловолокнами, на втором этапе - влияние типа армирования на циклическую прочность и сопротивление ламинатов при циклическом нагружении. Усталостные испытания выполнены в мягком режиме нагружения для ламинатов, армированных стекловолокнами и гибридными волокнами (кевлар+стекло). Кривые усталости были построены в координатах напряжение - число циклов до разрушения на основе критериев снижения жесткости на 5 и 10%. Анализ полученных результатов позволяет оценить влияние последовательности укладки слоев и типа армирования на поведение перекрестно-армированных ламинатов при циклическом нагружении. Наличие кевларовых волокон в ламинатах обеспечивает их нелинейное поведение при статических испытаниях и низкую циклическую прочность при усталостных испытаниях в условиях трехточечного изгиба.У рамках експериментального підходу описано механічну поведінку різних ламінатів із матрицею з епоксидної смоли, що перехресноармовані кевларо- вими волокнами і скловолокнами, в умовах статичного і циклічного три- точкового згину. При статичних випробуваннях розглядаються послідовність укладення шарів і волокон, товщини орієнтованих під кутом 90° шарів і вплив типу армування на механічну поведінку ламінатів у процесі навантаження, а також на реалізацію різних режимів пошкодження, що призводить до руйнування. Дослідження при циклічному навантаженні складається з двох етапів. На першому етапі розглядається вплив послідовності укладення шарів і волокон на поведінку і довговічність чотирьох типів армованих скловолокнами ламінатів, на другому етапі - вплив типу армування на циклічну міцність і опір ламінатів при циклічному навантаженні. Випробування на втому виконано у м ’якому режимі навантаження для армованих скловолокнами і гібридними волокнами (кевлар + скло) ламінатів. На основі критеріїв зниження жорсткості на 5 і 10% в координатах напруження - число циклів до руйнування побудовано криві утоми. Аналіз отриманих результатів дозволяє оцінити вплив послідовності укладення шарів і типу армування на поведінку перехресноармованих ламінатів при циклічному навантаженні. Наявність кевларових волокон у ламінатах запезчує їх нелінійну поведінку при статичних випробуваннях і низьку циклічну міцність при випробуваннях на втому в умовах триточкового згину

Experimental analysis of behavior and damage of sandwich composite materials in three-point bending. Part 1. Static tests and stiffness degradation at failure studies

The analysis of stiffness and the identification of rupture mechanisms during and after static tests of sandwich panels and their components have been investigated. The sandwich panels, having cross-ply laminates skins made of glass fibre and epoxy resin were manufactured by vacuum moulding and subjected to three-point bending tests. Two PVC cores of similar type but with differing densities were investigated. The effect of core density and its thickness on the behavior and the damage was highlighted. In terms of stiffness and load at failure, the sandwich structure has better mechanical characteristics compared to its components.Експериментально досліджено зміну жорсткості та проаналізовано механізми руйнування при статичних випробуваннях багатошарових композитних пластин і їх компонентів. Багатошарові композитні пластини з перехресними шарами зі скловолокна та епоксидної смоли, що виготовлені методом вакуумної відливки, піддавали навантаженню триточковим згином. Досліджували два варіанти пластин з однотипними наповнювачами з полі- вінілопласта різної щільності. Розглянуто вплив щільності і товщини внутрішнього шару наповнювача на поведінку та пошкодження композита. Показано, що композит із наповнювачем великої щільності має більш високі характеристики статичної міцності і стійкості порівняно з композитом із наповнювачем меншої щільності.Экспериментально исследовано изменение жесткости и проанализированы механизмы разрушения при статических испытаниях многослойных композитных пластин и их компонентов. Многослойные композитные пластины с перекрестными слоями из стекловолокна и эпоксидной смолы, изготовленные методом вакуумной отливки, подвергали нагружению трехточечным изгибом. Исследовали два варианта пластин с однотипными наполнителями из пеновинилопласта различной плотности. Рассмотрено влияние плотности и толщины внутреннего слоя наполнителя на поведение и повреждение композита. Показано, что композит с наполнителем большей плотности обладает более высокими характеристиками статической прочности и устойчивости по сравнению с композитом, имеющим наполнитель меньшей плотности

Experimental Analysis of Behavior and Damage of Sandwich Composite Materials in Three-Point Bending. Part 2. Fatigue Test Results and Damage Mechanisms

Выполнены экспериментальные исследования изменения жесткости и механизмов повреж­дения при усталостных испытаниях многослойных композитних пластин с наполнителем из пеновинилопласта. Многослойные композитные пластины с перекрестными слоями из стекло­ волокна и эпоксидной смолы, изготовленные методом вакуумной отливки, подвергали нагру­жению трехточечным изгибом. Исследовали два варианта пластин с однотипными напол­нителями из пеновинилопласта различной плотности. Рассмотрено влияние плотности и толщины внутреннего слоя наполнителя на поведение и повреждение композита. С исполь­зованием двухразличных моделей и критерия циклической долговечности построены кривые усталости и выполнен их сравнительный анализ с имеющимися литературными данными. Показано, что композит SD 2 с наполнителем большей плотности обладает более высокими характеристиками статической прочности и устойчивости, а также усталостной проч­ности по сравнению с композитом SD 1 с наполнителем меньшей плотности.Проведено експериментальні дослідження зміни жорсткості та механізмів пошкодження при випробуваннях на втому багатошарових композитних пластин із наповнювачем із піновінілопласта. Багатошарові композитні пластини з перехресними шарами зі скловолокна та епоксидної смоли, виготовлені методом вакуумного відливу, піддавали навантаженню триточковим згином. Досліджували два варіанта пластин з однотипними наповнювачами з піновінілопласта різної щільності. Розглянуто вплив щільності і товщини внутрішнього шару наповнювача на поведінку та пошкодження композита. Із використанням двох різних моделей та критерію циклічної довговічності побудовано криві втомленості і проведено їх порівняльний аналіз із відомими літературними даними. Показано, що композит SD 2 з наповнювачем великої щільності має більш високі характеристики статичної міцності і стійкості та утомної міцності порівняно з композитом SD 1 із наповнювачем меншої щільності.The analysis o f stiffness degradation and the identification o f damage mechanisms during and after fatigue tests of sandwich panels with PVC foam cores have been performed. The sandwich panels with cross-ply laminates skins made of glass fiber and epoxy resin were manufactured by vacuum moulding and subjected to three-point bending tests. Two PVC cores of similar type but with differing densities were investigated. The effect o f core density and thickness on the damage behavior was highlighted. Using the cyclic life criterion, fatigue curves were plotted according to two models and compared with those o f the literature. It has been demonstrated that the sandwich SD 2, with the higher core density, withstands a higher load and possesses greater rigidity in static tests, combined with an enhanced fatigue resistance when compared to sandwich SD 1 which has a lower core density

Heat generation and transfer in automotive dry clutch engagement

Dynamic behaviour of automotive dry clutches depends on the frictional characteristics of the contact between the friction lining material, the flywheel, and the pressure plate during the clutch engagement process. During engagement due to high interfacial slip and relatively high contact pressures, generated friction gives rise to contact heat, which affects the material behaviour and the associated frictional characteristics. In practice excess interfacial slipping and generated heat during torque transmission can result in wear of the lining, thermal distortion of the friction disc, and reduced useful life of the clutch. This paper provides measurement of friction lining characteristics for dry clutches for new and worn state under representative operating conditions pertaining to interfacial slipping during clutch engagement, applied contact pressures, and generated temperatures. An analytical thermal partitioning network model of the clutch assembly, incorporating the flywheel, friction lining, and the pressure plate is presented, based upon the principle of conservation of energy. The results of the analysis show a higher coefficient of friction for the new lining material which reduces the extent of interfacial slipping during clutch engagement, thus reducing the frictional power loss and generated interfacial heating. The generated heat is removed less efficiently from worn lining. This might be affected by different factors observed such as the reduced lining thickness and the reduction of density of the material but mainly because of poorer thermal conductivity due to the depletion of copper particles in its microstructure as the result of wear. The study integrates frictional characteristics, microstructural composition, mechanisms of heat generation, effect of lining wear, and heat transfer in a fundamental manner, an approach not hitherto reported in literature

Vibration suppression for high speed railway bridges using fluid viscous dampers

The results of experimental and theoritical investigations of railway bridges have shown the significant dynamic responses exceeding that anticipated on certain railway bridges, such as a resonance phenomenon who have a great effect in the bridge. Alternatively , the use of structural control systems devices might be a very promising solution to attenuate undesirable vibration. The aim of this study, first, is to investigate the posibility of reducing the acceleration in an acceptable level by using fluid viscous dampers. The bridge-damper system is described by a single-degree-of-freedom model. The ,dampers are connected between the bottom surface of the bridge deck and the abutment, Finallay a linearisation model and a comparative study in order to investigate the effect of the nonlinearite of the device in the dynamic response of the system

Flexural fatigue behavior of cross-ply laminates.An experimental approach

Within an experimental approach we describe the mechanical behavior of different resin-epoxy laminates reinforced with cross-ply Kevlar and glass fibers under conditions of static and cyclic three-point bending. In static tests, we consider the effect of stacking sequence, the thickness of 90°-oriented layers, reinforcement type on the mechanical behavior of laminates under loading and on realization of various damage modes leading to rupture. Cyclic loading studies have been performed in two steps. In the first stage, we inquire into the dependence of the behavior and durability of four glass fiber-reinforced laminate-types on the stacking sequence; the second stage is devoted to studying the dependence of cyclic strength and fatigue behavior of laminates on the reinforcement type. Fatigue tests are carried out in load-control regime for glass and hybrid (Kevlar + glass) fiber laminates. Fatigue curves are constructed in coordinates “stress – number of cycles until fracture” from the criteria corresponding to a drop in stiffness by 5 and 10%. Analysis of the results obtained permits evaluation of the effect of the stacking sequence and the reinforcement type on the behavior of cross-ply laminates in cyclic loading. The presence of Kevlar fibers accounts for nonlinear behavior of laminates in static tests and for low cyclic strength in fatigue tests under three-point bendin

Local thermal non-equilibrium effects in the Horton-Rogers-Lapwood problem with a free surface

The onset of thermoconvective instability in a modified Horton-Rogers-Lapwood problem is here investigated. Since the local thermal non equilibrium model is employed, two temperatures, one for the solid phase and one for the fluid phase, are considered. The porous layer is saturated by a Newtonian fluid and the lower plate is impermeable. A horizontal free surface is assumed as top boundary. The free surface is subject to a uniform pressure condition and a third kind boundary condition rules the heat transfer with the external environment. The lower boundary is subject to a uniform heat flux modelled by means of Model A proposed by Amiri et\ua0al. [1]. The linear stability of the basic state is investigated by means of normal modes method. An eigenvalue problem characterised by ordinary differential equations is obtained. This eigenvalue problem is governed by a number of parameters. This feature gives the chance of investigating different limiting cases. Some of these cases are solved analytically. These analytical solutions are employed as benchmark and as guess values for the numerical solver employed to solve the general case: a fourth order Runge-Kutta method coupled with the shooting method. The critical values of the stability parameter for the onset of convective instability are obtained for a number of cases

Analyzing the effect of large rotations on the seismic response of structures subjected to foundation local uplift

This work deals with seismic analysis of structures by taking into account soil-structure interaction where the structure is modeled by an equivalent flexible beam mounted on a rigid foundation that is supported by a Winkler like soil. The foundation is assumed to undergo local uplift and the rotations are considered to be large. The coupling of the system is represented by a series of springs and damping elements that are distributed over the entire width of the foundation. The non-linear equations of motion of the system were derived by taking into account the equilibrium of the coupled foundation-structure system where the structure was idealized as a single-degree-of-freedom. The seismic response of the structure was calculated under the occurrence of foundation uplift for both large and small rotations. The non-linear differential system of equations was integrated by using the Matlab command ode15s. The maximum response has been determined as function of the intensity of the earthquake, the slenderness of the structure and the damping ratio. It was found that considering local uplift with small rotations of foundation under seismic loading leads to unfavorable structural response in comparison with the case of large rotations

Analyzing the effect of large rotations on the seismic response of structures subjected to foundation local uplift

This work deals with seismic analysis of structures by taking into account soil-structure interaction where the structure is modeled by an equivalent flexible beam mounted on a rigid foundation that is supported by a Winkler like soil. The foundation is assumed to undergo local uplift and the rotations are considered to be large. The coupling of the system is represented by a series of springs and damping elements that are distributed over the entire width of the foundation. The non-linear equations of motion of the system were derived by taking into account the equilibrium of the coupled foundation-structure system where the structure was idealized as a single-degree-of-freedom. The seismic response of the structure was calculated under the occurrence of foundation uplift for both large and small rotations. The non-linear differential system of equations was integrated by using the Matlab command ode15s. The maximum response has been determined as function of the intensity of the earthquake, the slenderness of the structure and the damping ratio. It was found that considering local uplift with small rotations of foundation under seismic loading leads to unfavorable structural response in comparison with the case of large rotations

Modeling damage of the hydrogen enhanced localized plasticity in stress corrosion cracking

Stress corrosion cracking is an important and complex mode of failure in high-performance structural metals operating in deleterious environments, due to metallurgical, mechanical, and electrochemical factors. Depending on the material/solution system, the stress corrosion cracking mechanism may involve a combination of hydrogen embrittlement (HE) and anodic dissolution. In this article, a numerical model for predicting the mechanical behavior of hydrogen-induced damage in stress corrosion cracking is described. The methodology of modeling used in this study is based on the thermodynamics of continuum solids and elastoplastic damage. This model is based on a stress corrosion mechanism that occurs through the simultaneous interaction of hydrogen and plasticity. This mechanism is also called hydrogen-enhanced localized plasticity, which is a viable mechanism for hydrogen embrittlement. The model is applied to the fatigue damage problems of nuclear reactor pipe, and the results are compared with published fatigue life data obtained experimentall