+ All Categories
Home > Documents > Netting 2.pdf

Netting 2.pdf

Date post: 06-Jul-2018
Category:
Upload: ayalsew-dagnew
View: 219 times
Download: 0 times
Share this document with a friend

of 234

Transcript
  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    1/234

    NASA 

    CONTRACTOR

    REPORT

    NASA  CR-620 

    - sa : 

    1 9 9 6 0 4 1 0 0 7 9

     

    ANALYSES  F  OMPOSITE TRUCTURES 

    by

     

    Stephen

     

    W.

     

    Tsai,

     

    Donald F , 

    Adams, 

    and Douglas

     

    R. Doner

     

    K

     

    Prepared

     

    by  

    PHILCO

     

    ORPORATION 

    Newport Beach,

     

    Calif.

     

    for 

    Western

     

    Operations 

    Office 

    "Ŝ ved

     ot P^lic

     

    dea 

    I&trib-aüon Unlisted

     

    NATIONAL  ERONAUTICS  ND 

    PACE

     

    DMINISTRATION

      • WASHINGTON, 

    .

     

    .

     

      NOVEMBER 

    m

     

    •„ 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    2/234

    D I S C L A I M E R

     

    N O T I C E

     

    THIS

     OCUMENT

     

    S EST  

    QUALITY  AVAILABLE. HE

     

    COPY

     

    FURNISHED 

    TO

     DTIC CONTAINED

     

    A IGNIFICANT 

    UMBER

     F 

    PAGES

     

    HICH

     

    O

     

    OT

     

    REPRODUCE  LEGIBLY. 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    3/234

    NASA CR-620 

    ANALYSES 

    OF COMPOSITE

     

    STRUCTURES 

    By Stephen

     W . 

    Tsai, 

    Donald

     F. Adams, and

     

    Douglas 

    R. Doner

     

    Distribution 

    of

     this report

     

    is provided 

    in

     the interest

     

    of 

    information

     

    exchange. esponsibility

     

    for

     the

     contents 

    resides n

     

    the 

    uthor or  rganization

     that

     

    prepared

     

    it.

     

    Prepared under

     Contract

     

    No. 

    NAS

     

    7-215 

    by

     

    PHILCO CORPORATION 

    Newport

     

    Beach,

     

    Calif. 

    for

     

    Western

     

    Operations Office 

    NATIONAL

     AERONAUTICS

     

    AND SPACE ADMINISTRATION  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    4/234

    F O R E W O R D  

    This s an annual report of the 

    work

     done under 

    National

     Aeronautics 

    and 

    Space

     Administration Contract NAS 

    7-215,

     

    entitled

     "Structural Behavior 

    of 

    Composite

     

    Materials,

     "

     

    for

     

    he

     

    period

     

    January

     

    1965

     

    January

     

    1966.

     

    The

     

    program

     

    s monitored

     by 

    Mr.  Norman

     J.

     

    Mayer,

      Chief,

     

    Advanced

     

    Struc- 

    tures and Materials Application, 

    Office

     of

     

    Advanced

     Research

     and 

    Technology. 

    The authors wish

     

    o acknowledge he

     

    ontributions of their consul-

     

    tants

     

    Dr.  G .  S.  Springer of the Massachusetts

     

    nstitute of Technology,

     

    Dr.

     

    A.

      B.  Schultz of the University

     

    of llinois, 

    and

     

    Dr.

     

    H .

      B. 

    Wilson,

     

    Jr. 

    of the University of 

    Alabama. 

    The assistance of Mr.  R.  L. Thomas and 

    Mrs.

      V. A.

     

    Tischler

     of

     

    Aeronutronic

     

    s

     

    also

     

    gratefully

     

    acknowledged.

     

    Particular recognition s given o Dr.  Wilson for his 

    work

     n estab- 

    lishing

     

    he

     undamental concepts 

    upon

     

    which

     

    he

     

    periodic

     nclusion problems

     

    of Sections  and 4

     

    are based.

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    5/234

    AB STRACT 

    r

     

    [The

     tiffness nd

     

    trength analyses  f

     

    composite materials

     

    pre- 

    viously

     presented

     

    have 

    been eviewed 

    and 

    extended 

    cross-ply 

    and 

    helical-wound

     

    cylinders,

      as

     well 

    s

     

    lat

     laminates  ̂

    Consideration

     

    has  een 

    given

     o 

    he 

    omposite  ehavior  fter nitial yielding,

     

    including he 

    nfluence 

    of filament crossovers n helical-wound cylinders.  In doing o,

      a

     modified 

    "netting analysis" has 

    een

     

    used

     n conjunction 

    with 

    he 

    ontinuum

     

    analysis 

    to predict both initial

     

    yielding

     

    and

     

    post-yielding  ehavior. 

    Cylinders

     

    were

     

    assumed o 

    e

     ubjected

     

    o various 

    oading

     

    ondi-

     

    tions,

      including 

    axial

     tension

     and compression,

     

    torsion,

     

    and

     

    internal 

    pres-

     

    sure.  Theoretical esults were hen compared

     with

     experimental  ata 

    obtained

     

    using 

    glass-epoxy

     composites. 

    Investigations

     

    have

     

    also 

    een

     made  f

     he elative ontributions

      f

     

    the constituent material

     

    properties o

     

    he

     gross  ehavior  f

     

    a unidirectional 

    fiber-reinforced

     

    composite

     when

     ubjected

     

    o

     

    various

     

    oading

     

    onditions.

     

    Theoretical

     values  btained

     

    for he

     prediction

     

    of 

    he 

    tiffness

     nd 

    trength

     

    of he omposite 

    s

      unction

     

    of constituent

     

    properties 

    have

     been compared

    with 

    experimental

     data

     

    obtained

     

    using both

     glass-epoxy 

    and 

    boron-epoxy

     

    systems. 

    Complete digital omputer

     

    programs,

     

    developed

     

    conjunction

     with

     

    the

     

    trength analyses  f 

    flat 

    laminates

     nd

     

    laminated

     omposite cylinders, 

    and

     he

     nvestigation

     

    of  tress distributions 

    n

     he

     

    fibers nd

     

    matrix

     

    of

     

    composite

     

    ubjected

     

    o

     

    either

     

    ongitudinal

     

    hear

     

    or

     

    ransverse

     

    normal

     

    oading,

     

    are presented

     

    n

     Appendices

     

    A, 

    B,

     

    and

     C.

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    6/234

    CONTENTS 

    SECTION AGE 

    NTRODUCTION

    TRENGTH ANALYSIS 

    Anisotropie 

    Yield

     Condition

     

    Strength of 

    Laminated 

    Composites

     

    1

     

    Cross-Ply Composites 3 

    Helical-Wound  ubes

    9

     

    3

     

    ONGITUDINAL

     

    SHEAR 

    OADING 

    Introduction 9 

    Description of 

    Problem 0 

    Method

     of

     

    Analysis

    Solution

      echnique 6

     

    Presentation

     of 

    Results

    7

     

    4

     

    RANSVERSE

     

    NORMAL

     

    LOADING

     

    Introduction

    3  

    Method

     of

     Analysis

    6

     

    Discussion

     of Results 1 

    5

     

    ONCLUSIONS 7 

    Stiffness Ratios

    8

     

    Fiber

     

    Volume 0 

    Fiber

     

    Cross  ection 2 

    Filament Crossovers 3

     

    Future

     

    Research 4 

    Vll

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    7/234

    CONTENTS 

    Continued)

     

    SECTION AGE 

    REFERENCES 97 

    APPENDIX 

    A 99

     

    APPENDIX

     

    B

    25

     

    APPENDIX C

    65

     

    Vlll 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    8/234

    ILLUSTRATIONS

     

    FIGURE 

    PAGE

     

    1

     

    omparative

     Yield 

    Surfaces

    2 ield Surfaces

     

    or Glass-Epoxy 

    Composites

     

    3 niaxial Properties  f Glass-Epoxy Composites

     

    2  

    4

     

    etting Analysis  Notation

    1

     

    5

     

    lass-Epoxy

     Cross-Ply Composites

      ubjected

     o

     

    Uniaxial 

    Loads 6 

    6

     

    ross-Ply

     

    Pressure

     

    Vessels 7 

    7 lass-Epoxy Cross-Ply

     

    Pressure Vessels, 

    m

     

    0.4 4 

    8

     lass-Epoxy

     Cross-Ply Pressure Vessels,

     

    m  1.0 5 

    9

     

    lass-Epoxy

     

    Cross-Ply

     

    Pressure

     

    Vessels,

     

    .

     

    10

     

    ypical 

    Pressure Vessel

     

    Failures 8 

    11

     

    elical-Wound  ubes,  Glass-Epoxy 

    0

     

    12 niaxial  ension

     

    Test

    1

     

    13 niaxial Compression Test

    2

     

    14 orsion Test

    3

     

    15 

    niaxial

     

    ension

      est,  Glass-Epoxy

     Helical- 

    Wound

     

    ubes

    5

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    9/234

    ILLUSTRATIONS

     (Cont inued)

     

    FIGURE 

    16

     

    niaxial

     

    Compression

     Test,

     

    Glass-Epoxy

     

    Helical-Wound

     

    ubes

    PAGE

     

    17

     

    ure Torsion Test,

     

    Glass-Epoxy Helical- 

    Wound  ubes

    7

     

    18

     

    nternal Pressure Test,

     

    Glass-Epoxy Helical- 

    Wound  ubes

    8

     

    19

     

    elical-Wound

     

    ubes

     After Failure 

    2

     

    20

     niaxial 

    ension

     

    Test 

    of

     

    a

     3-Inch 

    Diameter Glass- 

    Epoxy Helical-Wound  ube 3 

    21

     

    niaxial

     

    ension

     

    Test

     of

     

    a

     

    1-1/2 

    nch

     

    Diameter

     

    Glass-Epoxy

     

    Helical-Wound  ube 4 

    22

     

    orsion

     

    Test

     of 

    1-1/2 nch Diameter

     

    Glass-

     

    Epoxy Helical-Wound  ube

    6

     

    23 nternal Pressure Test

     

    of

     

    a 1-1/2 nch

     

    Diameter 

    Glass-Epoxy Helical-Wound

     

    ube 

    7

     

    24 omposite Containing

     

    Rectangular

     Array

     

    of

     

    Filaments 

    mbedded

     n n 

    Elastic

     Matrix 

    1

     

    25 irst Quadrant

     of

     

    he

     Fundamental

     Region

     

    Longitudinal

     Shear Loading

    2

     

    26

     

    hear 

    Modulus

     G)

     

    nd

     

    Stress

     

    Concentration 

    Factor SCF) 

    or

     Glass-Epoxy 

    Composites

     

    Subjected

     

    o n 

    Applied 

    Shear Stress f  8 

    27

     

    omposite Shear 

    Modulus

     

    or 

    Circular Fibers n a 

    Square

      acking 

    Array

    9

     

    28 

    omposite Shear Modulus 

    or

     Boron 

    Fibers

     s 

    Function

     of 

    Matrix Shear

     

    Modulus

     

    nd

     Fiber 

    Volume 1 

    29

     omposite Containing a Rectangular

     

    Array 

    of

     

    Filaments 

    mbedded

     

    n n

     

    Elastic

     Matrix

     

    and 

    Subjected

     

    o

     

    Uniform

     

    Transverse

     

    Normal

     

    Stress

     

    Components

      t

     

    nfinity

    4

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    10/234

    I LLUSTRAT IONS 

    Continued) 

    _

    FIGURE

    AGE 

    30

     

    irst

     

    Quadrant

     

    of

     

    he 

    Fundamental

     

    Region

     

    77

     

    3 1

     

    ethod

     of 

    Combining

     Problems

    1,

      2,

     

    and  o 

    Obtain 

    Desired

     Solution  82 

    32

     

    omposite 

    Transverse Stiffness 

    or

     

    Circular 

    Fibers

     

    in a Square

     Array

    84 

    33

     omposite 

    Transverse Stiffness or

     Boron

     Fibers

     

    as

      Function 

    of

     Matrix Shear 

    Modulus

     nd

     

    Fiber 

    Volume

    85

     

    B-l irst

     

    Quadrant of

     the

     Fundamental 

    Region 

    Showing 

    Typical

     

    Grid Lines 

    nd 

    Notation Used

     126

     

    B-2

     

    ode

     

    dentification Numbering System

     

    128

     

    C-l

     

    irst Quadrant of 

    he

      undamental

     Region 

    Showing

     

    Typical

     

    Grid Lines nd Notation

     

    Used

     

    166 

    C-2 ode Identification

     Numbering System

     168

     

    XI

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    11/234

    NOMENCLATURE  

    B..

     

    _  

    B  

    B ' . ' ~ .  

    =  

    B  

    B..

    =  

    B  

    A..

      =

      A

     

    In-plane tiffness matrix,

     

    lb/in. 

    A.'.  =   A'  =  

    Intermediate in-plane

     matrix,  in./lb 

    ij 

    A.'. 

    =  

    A'  -  In-plane ompliance

     

    matrix,

     

    in./lb 

    a ength

     of

     

    he

     

    upper nd ower boundaries 

    f

     

    he

     

    first 

    quadrant 

    of 

    he

     fundamental

     

    region urrounding

     

    one 

    inclusion,

     

    in.

     

    =

     

    Stiffness

     

    oupling matrix,

      lb

     

    =

     

    ntermediate oupling

     

    matrix,

     

    in. 

    =

     

    ompliance oupling

     

    matrix,  1/lb 

    b

     

    ength

     of he left and right boundaries  f 

    he

     first 

    quadrant 

    of

     he

     fundamental

     region urrounding 

    one nclusion,

     

    in. 

    C..

     

    =

     

    nisotropie

     

    tiffness

     

    matrix,

     

    psi

     

    ij 

    D..  =   D

     

    lexural 

    tiffness 

    matrix,

     

    lb-in. 

    D.. 

    =

     

    D

     ntermediate

     

    flexural matrix,

     

    lb-in. 

    D .  =  

    D

    1

      =

     

    lexural compliance

     

    matrix,  1/lb-in. 

    E

     

    odulus 

    elasticity,  psi 

    E,  = omposite axial 

    tiffness,

     

    psi 

    E

    ?

    -  =

     

    omposite

     

    transverse tiffness,

     

    psi 

    Xll

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    12/234

    G hear

     

    modulus,

     

    psi 

    H 7.

     

    '  =

     

    Intermediate 

    coupling, 

    matrix,

     

    in. 

    h

     

    otal 

    thickness,

      in. 

    M. 

    =

     

    Distributed bending 

    and 

    wisting) moments,

      lb

     

    T

     

    M  =   Thermal moments,

      lb

     

    l

     

    _

    M.

     

    =

     

    Effective moment  =   M. 

    +

      M

     

    l

    m

     

    os 

    or

     

    cross-ply

     

    ratio

     

    total

     

    thickness

     

    f

     

    odd

     

    layers

     

    over 

    that 

    of

     

    even 

    layers)

     

    N.

     

    =

     

    Stress esultant,

     

    lb/in. 

    l

    N. =  

    Thermal

      tress 

    esultant,

     

    lb/in.

     

    l

    _

     

    N.

     

    =   Effective  tress 

    esultant

      =   N.  +  N. 

    l

    N,

     tress 

    n

     

    he

     direction

     of

     

    he

     fibers

     

    per

     nch

     

    of

     

    thickness, 

    f

     b/in.

     

    n

     

    in

     9,

     

    or

     

    total

     

    number

     

    f

     

    layers

     

    P

     

    nternal 

    pressure,  psi 

    R

     

    adius,

     

    in. 

    r

     

    atio 

    of

     

    normal trengths 

    =

      X/Y

     

    S hear trength

     of

     unidirectional composite,

     

    psi 

    s hear

     

    trength ratio  =   X/S,

     

    or tandard 

    deviation

     

    of

     

    fiber

     

    trength

     

    SCF

     tress

     oncentration factor 

    T

     

    emperature,

     

    degree

     F 

    u,

     

    v,

     

    w

     

    isplacement

     

    components, 

    in.

     

    v,

     

    ercent

     fiber ontent by volume 

    X

     

    xial 

    tensile

     

    trength 

    of 

    unidirectional

     omposite,

     

    psi 

    xiv

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    13/234

    X' xial

     

    compressive 

    trength of

     

    unidirectional 

    composite,

     

    psi 

    Y

     

    ransverse 

    tensile 

    trength

     of 

    unidirectional

     composite,  psi 

    Y'

     

    ransverse

     compressive 

    trength of

     

    unidirectional

     

    composite,

     psi 

    z

     istance 

    as

     

    measured

     

    from 

    he

     middle 

    urface, 

    in. 

    C i. 

    hermal xpansion coefficient,

     

    in./in./degree 

    ß atrix

     

    effectiveness n "shear

     

    transfer" 

    C.

     train

     

    component, 

    in./in.

     

    e.

     

    n-plane

     

    train

     

    component,

      in./in.

     

    l

    Fiber orientation

     

    or lamination angle,

     

    degree

    Jt .

     

    Curvature,

      1/in.

     

    V Poisson's 

    atio

     

    a. Stress 

    omponent,  psi

     

    C T - p .   =   Fiber bundle 

    trength, 

    psi 

    O

     

    Average

     

    deviation

     of

     

    he 

    fiber trength

     

    T..

      =   Shear tress,  psi 

    SUBSCRIPTS 

    fiber

     

    matrix

     

    i, j, k  =  

    1, 

    2,

     

    ...

     

    6

     or

     x,

     

    y,

     

    n 3-dimensional 

    pace,

      or 

    1,

     2,

     

    6

     

    or

     

    x,

     

    y,

     

    n

     

    2-dimensional

     

    pace

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    14/234

    SUPERSCRIPTS

     

    k

     

    kth

     layer

     

    of 

    a

     

    laminated 

    composite 

    -1 

    Inverse 

    matrix

     

    H

     Hoop

     

    ayers odd

     ayers)

     of

     

    a cross-ply cylinder or

     

    pressure

     vessel

     

    L Longitudinal 

    ayers

     even ayers) of a

     

    cross-ply

     

    cylinder or 

    pressure 

    vessel

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    15/234

    SECTION

     

    INTRODUCTION

     

    This s 

    continuing

     

    attempt 

    o  evelop

     

    a ational approach o 

    he

     

    design 

    and

     

    utilization

     

    of composite materials n tructural applications. 

    1

      2* 

    Previous 

    efforts  '

      were concerned

     

    with he establishment

     

    of he 

    ndepend-

     

    ent

     

    elastic

     

    moduli 

    and

     

    trength

     parameters from

     

    he macroscopic viewpoint. 

    The current 

    effort

     

    s

     oncerned

     with

     

    he

     

    evelopment

     of

     

    guidelines 

    for he  esign

     

    of composite tructures. 

    The

     

    determination

     

    of

     he deforma- 

    tion

     and 

    load-carrying  apacity of filamentary  tructures 

    s

      utlined. 

    Helical-wound

     

    ubes

     

    ubjected o various oading onditions  re xamined n 

    detail. 

    The

      ehavior

     

    of

     

    his tructural element

     

    s expressed

     

    n

     terms  f 

    various amination

     

    parameters ncluding he

     helical wrap 

    angle,  number

     of

     

    layers,

     

    etc.

     

    and material

     

    parameters  such 

    as

     

    he

     properties  f he 

    on-

     

    stituent materials,  the cross-sectional

     hape

      f 

    he

     filaments,

     

    etc.  The 

    present 

    theory 

    of

     design 

    of

     

    composite 

    materials an

     

    be pplied o

     

    he nal- 

    ysis

     

    nd 

    design

     

    of

     

    filamentary

     

    tructures.

     

    The

     

    weak

     ink 

    n

     a fiber-reinforced composite,  as xhibited

     

    by he 

    initial

     yielding,

      is  losely

     

    associated with

     

    he ow 

    trength

     levels  ttainable

    in

     a 

    direction

     transverse o 

    he fibers nd 

    n

     hear.

     

    For this

     

    eason,

     

    the

     

    transverse

     

    and hear

     

    properties  f 

    a

     unidirectional omposite  re

     

    analyzed, 

    the esults

     

    providing

     information

     needed 

    mproving omposite materials. 

    References

      re 

    listed

     at

     

    he 

    nd of 

    this eport. 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    16/234

    The present heory of 

    design 

    of composite 

    materials

     s only prelimi- 

    nary.

     

    A

     

    number

     

    of 

    refinements

     

    and

     

    appropriate

     

    experimental

     

    verification

     

    remain to

     

    be 

    explored.

     

    In

     

    particular, 

    inelastic

     behavior

     both 

    on

     

    the

     macro- 

    scopic and

     microscopic evels

     

    and

     

    the

     

    effect

     of

     

    filament

     crossovers

     are

     wo

     

    problems

     

    hat

     

    deserve

     

    mmediate

     attention.  It s hoped that

     as

     he

     

    heory s 

    improved,  the extent

     

    of

     empiricism

     can

     

    be

     

    substantially

     reduced 

    he de-

     

    sign

     

    and

     

    utilization of

     

    composite

     

    materials. 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    17/234

    SECTION 

    STRENGTH

     

    ANALYSIS

     

    Anisotropie 

    Yield Condit ion 

    The anisotropic yield

     condition,

     as

     

    reported in Reference Z,  is 

    derived

     from

     

    a generalization

     

    of 

    he

     von

     

    Mises yield condition for so-

     

    3

     

    tropic materials,  It 

    s assumed 

    hat

     he yield

     condition 

    is a

     quadratic

     

    function

     

    of

     

    he

     

    tress

     

    components

     

    Zfdry)  = F(o

    y

     of

      +

     

    G (a

    z

     aj +  (a

    x

     

    a/

    (1 ) 

    +

      2LT

    2

     

    +

     

    ZM

     

    2

     

    +

      ZN 

    2

      =1 

    yz x

     

    y

     

    where 

    F,

      G,  H,  L,

     

    M,

     N are

     material 

    coefficients 

    characteristic

     

    of 

    he 

    state of anisotropy, and x,

     

    y, 

    z, 

    are he axes of he assumed orthotropic 

    material

     

    symmetry.

     

    Equation

     

    1)

     

    reduces 

    o

     he

     

    von

     

    Mises

     

    condition

     

    if

     

    F  =  

    G

     

    =

     

    H

      =  

    l/6k

    M

     

    =   N

     

    =

     

    1/Zk

    where k

     is a 

    material

     

    parameter 

    governing 

    he

     

    yielding

     

    of

     

    sotropic

     

    materials.

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    18/234

    Since he 

    composite material

     

    of

     present nterest

     

    n

     

    orm

     

    of rela- 

    tively hin

     plates,

      a

     

    state

     of 

    plane 

    stress s assumed.  Equation 

    1)

     can be 

    reduced o: 

    \x)

     

    X

      Y

     

    Y

     

    =   1  

    (2) 

    The

     validity of his yield 

    condition

     has 

    been

     

    demonstrated in Reference Z ,

     

    using unidirectional glass-epoxy composites ubjected 

    o

     

    ensile

     oads.

     

    For

     he strength analysis of

     

    a

     filamentary

     structure

     

    ubjected 

    o

     

    combined

     oading,

     

    compressive

     properties 

    must

     be 

    known.

     

    Analogous o 

    the

     ensile

     

    trengths

     

    X

     

    and

     

    Y ,

     

    the

     

    compressive

     

    trengths

     

    X

     

    and

     

    Y'

     are

     

    determined from 0- and 90-degree

     

    pecimens ubjected 

    o

     

    uniaxial com-

     

    pressive

     oads, 

    respectively.

      Shear has no 

    directional property, 

    hence,

     

    S  =  S'.

     

    It s assumed

     

    hat he anisotropic 

    yield

     

    condition 

    remains applicable 

    for materials with properties different

     

    n ension

     

    and compression.  It

     

    only necessary

     o 

    use 

    he

     principal 

    strengths

     compatible with he 

    prevailing 

    stress 

    components,

     

    i.e., 

    tensile

     

    trength 

    for

     positive

     

    normal stress and 

    compressive

     

    trength 

    for negative 

    normal 

    stress.

     

    This method of 

    aking 

    into account different ensile and compressive properties ollows hose

     

    used

     

    4

      5

     

    previously

     by other nvestigators.  '

     

    Equation Z) can now be written m

     

    four 

    forms

     corresponding

     

    o

     

    he our

     quadrants of

     

    he

     

    O^

     

    stress

     

    pace. 

    The quadrant

     descriptions

     are as ollows:

     

    Axial

     

    T

     

    ransverse

     

    Strength 

    Quadrant

     

    1

     

    C T

    x

     

    a  

    positive

     

    Strength 

    St

     

    rength 

    Rat

     

    io

     

    positive 

    X  

    Y

     

    r

    X/Y

     

    Z

     

    negative

     

    positive 

    X' 

    Y  

    r

    z

     

    X'/Y 

    3

     

    negative

     

    negative

     

    X' 

    Y'

     

    r

    3  =

     

    X'/Y" 

    positive 

    negative

     

    X  

    Y'

     

    r

    X/Y'

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    19/234

    In 

    erms

     of hese definitions,  the  ield condition

     

    given by Equation Z)

     

    becomes,  in he order of he corresponding quadrant:

     

    (̂ ) T;

     

    # ff 

    (?f)

    2

     

    (F)

     • 

    5

    >  

    ft)

    2

     

    t f f

     (

    £)' (

    #

      ' 

    The 

    igns

     or

     

    he 

    principal strengths are 

    always

     

    positive;

     hose

     

    or he 

    stress 

    components

     are positive or negative,  corresponding

     o

     he 

    appro- 

    priate

     quadrant n

     

    he

     

    stress pace.  Diagrammatically,

     

    the yield 

    surface 

    can

     

    be 

    represented

     in 

    dimensionless

     orm

     

    as 

    hown

     in Figure 1.

     

    For

     unidirectional glass-epoxy composites

     

      =

     

    70%),

     

    r  =

      X/Y

      =

      150/4

      =

      37.5

     

    r

    2

      =   X'/Y  =   150/4  =   37.5

     

    r

    3

      =

     

    X'/Y'

      =   150/20  =   7.5

     

    r

    4

     

    =

     

    X/Y'

     

    =

     

    150/20

     

    =

     

    7.5

     

    This 

    s

     

    represented 

    by he solid curves n

     

    Figure 2.

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    20/234

    ANISO T RO PIC

     

    YIELD

     

    S U R F A C E S

     

    X

     

    _

      =

    1

      (VON MISES) 

    =

     

    2

     

    Figure h  Comparat ive

     Yield

     Surfaces 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    21/234

    Figure

     

    2.  Yield Surfaces  or

     

    Glass-Epoxy

     

    Composites 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    22/234

    The yield 

    conditions

     of Equations

     

    2 ) 

    hrough

     6) apply 

    o

     

    an ortho-

     

    tropic

     

    material

     n he directions of ts 

    material

     symmetry axes.  For uni- 

    directional composites,

     

    the

     

    ymmetry axes

     

    are parallel and perpendicular 

    to

     he fibers.  If

     

    he ibers are oriented other 

    han 

    0- or

     

    90-degrees with 

    respect 

    o

     

    he

     externally 

    applied

     oad,

     

    the 

    applied

     stress

     components 

    r, 

    i  =1,2,  6, must

     

    be ransformed o 

    he 

    symmetry axes,  i

     

    x,

     

    y, 

    s,  before

     

    the

     yield condition can be applied. 

    The

     

    usual

     

    ransformation

     

    equation

     for

     

    stress

     components, 

    in 

    matrix form, 

    is 

    m

     

    mn 

    n 2mn

     

    2  2

     

    -mn

     

    n

     

    -n 

    (7 )

     

    For

     uniaxial ension, 

    0 " , 

    =

     positive,  0

    ?

      = 

    O, 

    (8) 

    From Equation

     7),

     

    2

     

    x

     

    s

     

    (9 )

     

    Substituting hese values nto he appropriate yield 

    condition,

      Equation 3),

     

    one obtains: 

    4

     

    m

     

    +  

    (

    2

     2

     

    2  24 

    /v/

      .2  

    s, 

    -  1 m 

    n

      +   r

     

    ,

     

    -

      (X/O 

    (10)

     

    which

     

    is

     

    dentical

     

    with

     

    Equation

     

    9)

     

    of

     

    Reference

     

    2,

     

    where

     

    Sl

      s

      =

     

    X/S, 

    r

    l

      =   r 

    =

      X/Y 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    23/234

    In he

     

    ame manner, for uniaxial compression,  the appropriate 

    yield

     

    condi-

     

    tion equation 

    is 

    4

     

    m

     

    +

     

    (s

    Z

     

    -

     

    l]

      m

    2

    n

     

    +

     

    r

    2

     

    n

    4

     

    =

     

    (X'/o^)

    2

    11)

     

    where

     

    3

      =   s  =   X'/S,  r

    3

      =   r  =  

    X'/Y' 

    For

     pure

     

    shear,

     

    the yield 

    condition

     corresponding 

    o

     he

     econd

     

    or

     

    fourth

     

    quadrant will

     

    be needed.  This can easily

     

    be 

    derived 

    by aking O, as

     

    the

     

    only

     nonzero 

    stress 

    component.  If 

    r,

     

    nd

     

    r

     . are 

    different,

     

    which

     

    is 

    usually he case,  the

     hear

     

    strength 

    of a 

    unidirectional

     composite will

     have 

    different 

    values

     depending 

    on

     he direction

     

    of he applied shear, i.e.  posi- 

    tive

     

    or

     

    negative

     shear.

     

    In summary, 

    the

     

    nitial

     yielding of

     

    a

     unidirectional

     

    composite, when 

    subjected

     o

     a 

    complex

     state of stress,  is 

    governed

     

    by

     one 

    of

     

    our

     

    possible

     

    yield

     

    conditions.

      The appropriate 

    condition o

     be used is determined 

    by

     he 

    signs of

     

    he normal 

    stress

     

    components.  If he ensile and compressive

     

    strengths

     are equal,  the our conditions reduce 

    o

     one equation; such is he

     

    case

     

    n

     

    Equation

     4) of

     Reference

     .

     

    Compressive

     

    Properties

     

    In 

    a

     previous tudy,

     

    he principal strengths 

    were

     imited 

    o

     ensile 

    loading only. 

    owever,

     

    n

     he

     

    trength analysis of 

    structure

     

    ubjected 

    o

     

    combined

     

    oading, 

    he

     compressive properties of unidirectional composites

     

    must also be known.

     

    Compressive

     

    elastic

     moduli have been found 

    o

     be approximately 

    he 

    same

     as 

    ensile

     moduli or

     glass

     

    -epoxy

     

    composites  and

     boron-epoxy

     

    composites. 

    Compressive

     axial

     

    and ransverse 

    strengths,

     

    X

    1

     and Y',

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    24/234

    respectively,

      can be 

    determined

     

    by he

     compressive oading of 0- and

     

    90-degree 

    specimens.

     

    Compression 

    ests 

    are

     known

     o

     be difficult 

    perform. 

    Test results

     

    often

     are affected

     by he 

    geometric

     

    configuration 

    of 

    he

     pecimen.  Competing modes

     

    of failure,

     

    i.e.,

     

    buckling and 

    strength, 

    are

     operative.

     

    As an indication

     

    of he difficulty of direct 

    measurement

     of he com-

     

    pressive axial

     strength, 

    X,

     he

     

    numerical

     value

     

    of

     X or glass-epoxy 

    composites has 

    been reported

     

    as

     

    anywhere within a

     

    range

     of

     

    from

     

    00 

    o

     

    Z 50

     

    ksi,

     

    depending upon

     

    he 

    est

     method used.

      In flexural ests of 0-degree 

    specimens, which include 

    a

     hoop-wound ring pin-loaded at diametrically 

    opposite points,

     most

     

    failures are

     of 

    he

     

    ensile

     ype.  It

     

    appears reason-

     

    able 

    o

     

    assume

     hat 

    he 

    compressive strength 

    is

     at

     

    east equal o,

      if

     

    not 

    higher

     

    han,

     

    the

     ensile

     

    strength.

      In

     

    he

     

    present

     

    work,

     

    a

     

    value

     

    of

     

    50

     

    ksi

     

    is 

    assumed

     for 

    both

     he ensile and compressive strengths of he glass -

     

    epoxy 

    composite.

      This value s undoubtedly conservative.

     

    The compressive 

    ransverse 

    strength Y' s

     

    comparatively 

    simple

     

    o

     

    determine because of ts ow 

    numerical

     value.  For glass-epoxy composites, 

    with v

    f

      =  

    70

     percent,

     

    the 

    value

     of Y'

     

    between 16

     and 

    24

     ksi.  The 

    ower

     

    values

     

    were

     obtained

     

    using

     

    pecimens having rectangular cross

     

    ections; 

    the higher values,

     

    circumferentially wound 

    ubes

     with over-wound (rein- 

    forced)

     ends.

     

    No

     

    gross

     

    buckling

     

    of 

    he

     

    specimens

     

    was

     

    observed.

     

    Using

     

    he

     

    experimentally determined

     principal 

    strengths, 

    X =

     

    15 0

     

    ksi 

    2 0 ksi 

    -

     

    6 ksi

     

    10  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    25/234

    from

     

    which,

     

    r

    3

     

    =

     

    X'/Y' 

    =

     

    150/ZO

      =

     

    7.5  

    s

    3

     

    X'/S 

    =   150/6  =

     

    2 5 

    one

     

    can

     determine,

    using

     Equation

     

    11),

      the

     uniaxial

     

    compressive

     

    trength 

    0\ s a function of fiber orientation.  The

     

    resulting curve,

     

    together with 

    experimental 

    data,

      is

     

    hown in Figure

     

    .  The corresponding uniaxial stiff- 

    ness and

     

    ensile

     

    trength are also shown.  The ensile and compressive

     

    stiffnesses are practically

     

    dentical when

     

    he

     

    train is

     

    mall,

     

    i.e.  in he

     

    order of 0.

     

    percent.

     

    Strength of

     

    Laminated

     

    Composites 

    For 

    he

     ake of 

    completeness,

      the 

    trength

     

    analysis 

    of laminated

     

    composites described in

     

    Reference  s

     

    ummarized

     

    here. 

    Essentially,

     

    the 

    strength

     of

     

    materials approach is used,  whereby

     

    he normals 

    o

     he middle

     

    surface

     

    remain

     undeformed

     during he

     

    tretching and bending of he compos- 

    ite plate.  The otal strain

     

    at any

     

    point

     

    n he 

    plate

     s 

    defined

     

    as

     

    € .

     

    =

      e°

     

    zx.

    12)

     

    It

     

    s further assumed hat each

     

    constituent

     ayer

     of

     

    he aminated composite 

    is 

    mechanically 

    and hermally

     anisotropic,

     

    i.e.,

     

    o

    {

     

    e. 

    a.T) 13)

     

    where ,  =1,2, and 6. 

    11  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    26/234

    10  

    Q.

     

    CO  

    CO  

    LL

     

    LL . 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    27/234

    Equation 

    (13),

     

    when integ 

    ra 

    ted  across 

    the  thickness

     

    of

     

    he 

    la 

    minated 

    compo

     site,  becomes: 

    N,

     

    =

      N.

     

    T

     

    + : 

    =  A..

     

    o

     

    +  

    B.. 

    x

    i

    (14)

     

    l

     

    l

     

    i

     

    ij 

    J

     

    ij 

    J

     

    _

     

    o

    M.  =   M.  +   M.  =   B..  e.  D.. 

    .

     

    i

     

    j  J

     

    j

      J  

    (15)

     

    where

     

    r

     

    h/2

     

    (N . .

     

    .)

      = f  a 

    (1 ,

     

    -̂h/2

     

    z) 

    dz

     

    (16)

     

    (N ; 

    r

    T

    )

     

    f

     

    h/2

     

    C.a.T  (1,

    z)

     dz

     

    h/2

     

    (17)

     

    (A.., 

    B..,

      D..)

      =   f

    ij  ij  ij /_

    h/2

      C. 

    (1,

     

    z, 

    z

    2

    )

     

    dz 

    h/2 

    (18)

     

    Equations 14) and 15) 

    are he 

    basic

     constitutive 

    equations

     or

     a

     

    aminated

     

    anisotropic composite, 

    taking

     nto 

    account

     equivalent hermal loadings. 

    The

     

    stress at 

    any

     

    location across he

     hickness 

    of

     he

     composite

     

    can

     

    be 

    expressed

     in

     

    he

     

    ollowing manner.

     

    Having established hat

     

    =  

     

    -4- 

    B  

    D  

    (19) 

    13  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    28/234

    then, 

    by

     matrix inversion,

     

    M

     

    A*  '  B* 

    _

     

    i

     

    H*

    |

      D*

     

    I

     

    (20)

     

    r < n

     

    H' 

    D' 

    N

     

    (21)

     

    where

     

    A

      = 

    A

     

    A B̂ 

    H

     

    = BA 

    D  = D

      BA

     

    B

     

    (22)

     

    A ' =  A" B"D"~

     

    H

     

    B'

     

    = H'  =

     

    B

     D  

    *-l 

    D'  =

     

    D  

    *-l 

    Substituting 

    Equation

     

    21)

     

    nto

     12) 

    e.

      =   (A .

     

    +

     

    zB.'.)

     

    N. 

    +

     B.

     

    +

     D .)

     

    M. 

    i

     

    j

     

    J

     

    j

     

    j

     

    J  

    (23)

     

    14  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    29/234

    From

     

    Equation 13) , 

    the

     

    tress 

    components or he 

    kth

     

    layer

     are:

     

    a

    (k)

    =C

    <

    k)

    (.  -o/

    k)

    T ) 24)

     

    cf

    k

    >

     

    (A .

      +  

    zB'

     

    )

     

    N,

      +

      (B .

      +

     

    zD .  M.  -

     

    a

    (k)

    jk

     

    k'  k

     

    k

     

    k' 

    k

     

    This s he most general expression for stresses as unctions of stress 

    resultants, bending moments, and emperature.  The

     

    same

     

    material

     coeffi-

     

    cients 

    A',

      B',

     and

     

    D', 

    as reported

     n 

    Reference 2,  can 

    be used

     for 

    he thermal 

    stress

     

    analysis.

     

    This 

    imple 

    ink 

    between 

    he

     

    sothermal 

    and

     nonisothermal 

    analyses s achieved

     

    by reating hermal 

    effects

     as equivalent mechanical

     

    loads,

     

    e.g.

     

    N.

     

    and

     

    M.

     

    n

     

    Equation

     

    17).

     

    Determining

     

    he

     

    evel

     of

     

    external

     

    load

     N.

     and/or 

    bending

     moment M.- that

     

    will

     

    nitiate 

    failure

     n

     

    one or 

    several 

    of he constituent ayers

     

    not

     

    a

     

    straightforward

     calculation.  This s due o 

    the

     act hat he 

    stress 

    components . i  =1,2,6) computed from Equation

     

    (24)

     

    must

     be ransformed into he

     

    x-y

     coordinates i 

    =

     

    x,

      y,

      s),

     

    which

     

    repre- 

    sent he 

    material

     symmetry 

    axes,  before

     

    he 

    signs 

    of 

    he

     

    stresses

     

    r

     

    and

     a

    whether 

    positive

     or 

    negative,

      can 

    be

     

    determined.

     

    Only

     after 

    he

     

    igns

     of a

     

    and  are known,  can 

    he

     

    proper

     

    yield

     condition 

    be

     

    selected.

     

    The

     actual

     

    numerical 

    method by

     which he maximum

     

    allowable

     

    oadings

     

    N.

     

    and/or M.) 

    are determined is outlined in detail in Appendix 

    A.

     

    A

     

    cylindrical shell

     

    s one of he 

    basic

     structural shapes.  When a

     

    shell

     s

     ubjected o

     

    homogeneous oading, 

    e.g.

     

    uniaxial

     ension

     or 

    com-

     

    pression,  internal or external hydrostatic pressure,

     

    or pure

     

    shear,

     

    the

     

    shell 

    maintains

     ts

     

    shape.  There s 

    no

     change n curvature n 

    either

     he circum- 

    ferential

     or he ongitudinal direction. 

    Because

     of his

     geometric

     constraint

     

    imposed

     

    on cylindrical shells 

    under

     homogeneous 

    oadings, 

    the 

    nduced

     stress

     

    distribution 

    can be

     represented by

     

    simpler 

    relations

     han

     hose just 

    outlined. 

    By

     assuming 

    no

     change n curvature 

    this

     can 

    be

     represented by letting 

    K

     

    =

     

    0),

     

    the

     

    otal 

    strain

     

    is

     

    now

     

    equal

     

    o

     he

     

    n-plane

     strain.

     

    This

     

    s

     

    obtained

     

    directly

     from Equation

     

    12)

     by letting x  = .  Strain is 

    herefore

     homogeneous

     

    across

     he hickness 

    of 

    he

     

    hell,

     

    i.

     

    e.

      independent

     

    of

     z. 

    15  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    30/234

    c r<

    k

    >

     

    c<

    k

    >  

    A .  N, 

    - v <

    k

    >T 

    l

     

    ij

     

    jk

    N

    k

    J  

    For

     cylindrical 

    hells,

      the

     

    tress omponents or 

    ach

     layer are also 

    constant,

     as 

    iven 

    by

     Equation

     13).

      Using

     

    quation 

    20),  one 

    an

     immediately 

    determine 

    he

     in-plane, i.e.  total  train

     

    caused by N-, 

    e

    °

    =

     

    A

    iĵ j

    25)

    The

     

    stress

     components

     are:

     

    (26)

     

    Being ndependent of 

    z,

      this

     

    equation is considerably simpler han 

    Equation

     

    24).

     

    The trength

     analysis

     of cylindrical shells ubjected 

    o

     a

     

    ew fre-

     

    quently

     occurring

     oading

     

    conditions

     

    has

     also

     been

     programmed.  The entire 

    program

     

    s outlined

     

    n detail

     n

     Appendix A.

     

    Post-

    Yielding Behavior

     

    For most 

    fiber-reinforced 

    composites presently available, 

    initial

     

    yielding s often 

    dictated

     

    by he

     values of

     he

     ransverse and shear 

    strengths, 

    which

     are 

    significantly ower han

     

    he 

    axial

     strength. 

    The

     

    nitial yielding

     

    introduces failures 

    parallel

     

    o

     he 

    fibers.

     

    These

     failures are 

    audible

     

    during

     

    the oading and 

    become

     visible

     

    soon

     after he 

    heoretically 

    predicted 

    yield

     

    stress s attained.

     

    The post-yielding 

    behavior

     of

     cross-ply

     composites has been investi-

     

    gated previously.

     

    For 

    a

     

    cross-ply

     

    composite 

    ubjected o 

    a

     uniaxial ensile 

    load in he direction of

     

    he fibers of one of he

     

    onstituent layers,  additional

     

    load 

    can be

     

    upported after

     nitial yielding

     until

     

    ultimate

     

    fiber

     

    failure

     

    induced.

     

    Thus,

     

    initial

     

    yielding

     

    does

     

    not

     

    necessarily

     

    determine

     

    he

     

    oad-

     

    carrying capacity of 

    a

     

    aminated composite.  After one or more ayers have 

    yielded, 

    the

     ayers of he aminated composite which are

     

    till

     ntact must be

     

    16 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    31/234

    investigated 

    o

     ascertain whether or not hey can support 

    he

     prevailing

     

    externally

     

    applied

     

    oad.

     

    However,

     

    in

     

    he

     

    case

     

    of

     

    an

     

    angle-ply

     

    composite

     

    under

     

    uniaxial

     

    ension,

     

    the

     

    still

     

    ntact

     

    ayers

     cannot 

    carry

     he existing oad 

    after 

    nitial yielding.

      For 

    2

     

    this

     

    reason,

     

    there

     

    no post-yielding

     oad-carrying capability.

      Thus,  under

     

    uniaxial 

    ension

     

    applied along

     one of

     he material

     symmetry 

    axes

     

    of

     

    he 

    com- 

    posite,

     ross-ply 

    composites 

    can

     carry additional 

    oad 

    after he nitial 

    yield-

     

    ing

     

    but

     

    angle-ply

     

    composites

     cannot.

     

    A general 

    heory

     or he analysis of 

    he post-yielding 

    behavior 

    of

     

    a

     

    laminated composite s difficult 

    o

     formulate because he material

     

    s

     

    trans- 

    formed from

     

    a

     continuum 

    o

     a 

    "discontinuum"

     

    on

     he microscopic

     

    cale.  A

     

    theory will 

    be

     

    proposed 

    n his report,  using some of he assumptions of

     he 

    conventional

     

    netting 

    analysis.

     

    It 

    s assumed 

    hat, after

     nitial 

    yielding,*

     

    he 

    unidirectional ayers of 

    a

     

    composite

     can carry ensile 

    oad

     only along he 

    fiber axis. 

    To

     maintain static 

    equilibrium,

      load ransverse 

    o

     he 

    fibers 

    and distortional load must be

     carried

     by other nternal agencies of he 

    composite.  Such agencies

     

    may be

     

    derived 

    from

     

    filament

     crossovers n 

    he

     

    case of a helical-wound structure,

     

    or rom

     

    some end constraint 

    ypical

     of 

    shell-type

     tructures,  e.g.,  at he shell-and-head junction.

     

    An

     

    internal

     

    agency

     

    is

     

    necessary

     

    for

     

    he

     ransfer

     

    of

     

    the

     

    externally

     

    applied

     

    oads 

    o

     

    axial

     loads 

    along

     he

     

    unidirectional fibers.  Before 

    nitial 

    yielding, 

    this

     

    nternal 

    agency

     s

     achieved by 

    he

     

    binding matrix.

     

    The

     

    entire 

    composite 

    a

     

    continuum. 

    After 

    nitial yielding,

     failure n

     he 

    matrix and/or 

    at he

     

    fiber-matrix

     

    interface

     

    ntroduced.

     

    Fibers

     are 

    apparently

     still ntact. 

    In 

    he 

    case of

     

    angle-ply 

    composites

     

    under uniaxial oading,

     

    no nternal

     agency

     

    A

     

    composite,

     

    after

     

    nitial

     

    yielding

     

    occurs,

     

    is

     

    referred

     

    to 

    as

     

    a

     

    "degraded'

     

    composite n

     Reference

     

    2.

     

    17

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    32/234

    is operative after he nitial failure.  Complete failure of the

     composite

     occurs 

    immediately

     after nitial yielding. 

    However,

      in he case of 

    cross-ply

     

    composites, n 

    internal

     

    agency

     is 

    not

     needed for ransferring 

    he

     external

     

    load.

     

    Since

     

    some

     

    of

     he 

    ilaments

     

    are

     

    aligned

     

    parallel

     

    o

     

    he

     

    applied

     

    oad,

     

    they

     can continue 

    o

     carry

     

    oad until filament 

    failure

     s

     

    eached.

     

    Filament-wound 

    structures

     

    often

     acquire

     

    filament

     crossovers during

     

    winding

     with a

     

    helical 

    pattern.

      This ype

     

    of 

    composite

     may be

     

    represented 

    by 

    an angle-ply with filament crossovers. 

    The

     geometric distribution 

    and 

    he

     

    frequency

     

    of

     

    occurrence of filament crossovers or 

    a

     given helical-wound ube 

    depend

     on 

    he 

    helical 

    angle,  the 

    width 

    of

     

    he roving, 

    the

     

    diameter

     of he

     

    ube,

     

    and

     other

     

    process 

    parameters,

     which

     may

     

    include

     he characteristics of he 

    winding

     machine.  In he present nvestigation,  it s 

    assumed

     

    hat

     he 

    effect

     of 

    filament crossovers 

    ntroduces

     wo

     

    factors:

     

    (1 ) 

    As

     an internal

     

    agency, 

    filament

     

    crossovers

     

    provide

     

    additional oad-carrying capacity o helical-wound 

    composites.

     

    This

     

    trengthening of

     

    angle-ply 

    composites s exhibited

     

    by higher effective 

    ransverse

     

    and shear strengths, designated as

     

    Y

     

    and 

    S,

      respectively. 

    (Z )

      In contradiction o he

     

    strengthening 

    effect

     above, ilament 

    crossovers

     

    will

     

    be

     sources 

    of

     

    stress

     

    concentrations,

     

    since 

    filaments

     can be subjected 

    o

     direct abrasion

     

    among

     

    themselves.  Therefore,

      crossovers

     

    will

     end

     

    o reduce 

    the axial strength X

     

    of

     

    he

     

    constituent ayers. 

    Because

     of

     

    he existence of filament crossovers,  it 

    may

     be necessary

     

    to

     

    reat

     

    helical-wound composites 

    differently

     han 

    angle-ply

     

    composites.

      It

     

    may 

    be

     possible for 

    helical-wound

     composites

     o carry a

     

    higher

     oad

     because 

    of 

    he

     

    nternal

     agency

     generated 

    by he crossovers.  The

     

    ultimate oad

     

    hat

     

    the composite

     

    can 

    carry

     will

     

    be

     

    governed

     

    by 

    either

     he breakdown of

     

    he

     

    internal 

    agency

     which

     

    is

     

    needed

     o

     ransfer

     

    external oads or

     ilament

     failure. 

    18

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    33/234

    In

     

    conclusion,   the post-yielding behavior 

    of

     laminated composites s 

    dictated by he ability 

    of

     he

     

    filaments which are

     till

     

    intact

     o ustain

     

    con- 

    tinued oading.  This

     is

     ccomplished n

     

    cross-ply

     

    composites when subjected

    to

     

    uniaxial

     

    tension 

    or

     

    internal 

    pressure, or example,

     

    by having filaments 

    aligned 

    parallel o he

     pplied oad.

     

    The

     post-yielding

     

    capability

     can 

    also

     

    be 

    achieved by means 

    f

     an 

    internal

     agency n he omposite,  an example 

    of

     

    which

     is

     

    due

     o he

     

    filament

     crossovers 

    which

     exist

     n

     

    woven

     fabric

     and 

    helical-wound  tructures.

     

    Angle-ply

     

    composites

     

    under

     

    uniaxial oad do

     

    not

     

    have

      post-yielding apability because

     fibers

     

    re 

    not 

    aligned

     n he direction 

    of applied 

    loads,

     nor 

    is 

    here 

    n

     

    internal

     

    agency 

    for 

    oad

     

    transfer. 

    Assuming

     

    that an 

    internal

     agency is vailable 

    n

     a composite uch 

    hat

     he externally 

    applied 

    oad, 

    N., 

    i

      =   1,

     

    2 ,  6,

      can

     be 

    transferred

     o 

    an

     axial oad, 

    N,,

     

    in

     

    he

     

    unidirectional layers,

     

    one 

    an

     derive

     

    he elation between he xial  tress; 

    N

    f

     

    of 

    a

     unidirectional constituent layer 

    and 

    N .

     s 

    ollows.

     

    As 

    hown

     

    n

     

    Figure  a,  the equilibrium

     

    of forces  etween

     

    he exter- 

    nally 

    applied oad,

     

    N^

      and

     

    he nduced

     

    oad,  N  in

     

    he direction

     of

     he fibers 

    must

     atisfy 

    he

     elation: 

    N

    f

     

    cos  , 

    A cos 

    (27)

     

    or

     

    N

    f

     

    =

     

    N

    1

    /c

    os

    2

    a  = N

    x

    /

    m

    2

    28)

     

    In 

    order 

    o maintain

     

    equilibrium

     

    n he

     

    2-direction,  an

     internal

     

    force,

     

    N

    ?1

    ,

     

    must be: 

    N

    21

     

    =

     

    N

    f

     

    sin

     

    « 

    sin

     a 

    (29) 

    19  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    34/234

    or 

    N  

    2_ 

    A

    T

      2  

    =   - N

    f

     in  a  =   -

     

    n

     

    N

    f

     

    =   -

     

    n

     N^m

    (30) 

    Similarly, 

    in 

    Figure 

    b, 

    the

     equilibrium

     of 

    forces between he 

    externally

     applied

     oad, N

    2

    , and he nduced oad, 

    N

    f

    ,  results n

     

    he 

    condition:

     

    N

    £

      =   N

    2

    /

    n

    2

    3

    1

    N

    1

    2

      =   m

    2

    N

    f

      = m

    2

    N

    2

    /n

    2

    32) 

    In 

    he case 

    an

     

    externally

     applied

     hear

     

    force,  N

    &

    ,

     

    the equilibrium

    condition, 

    as 

    hown n Figure  c

     

    must 

    atisfy:

     

    Ü 6 

    5in

     

    a

     

    N

    cos

     

    a

     

    _

     

    +

      6̂_

    33)

     

    A

      —A

     

    cos 

    A

     in

     

    Amn

     

    N

    f

      =  

    +

     

    N

    6

    /

    mn

    3

    4

    )

     

    The internally nduced oad,  N ,̂  in this

     

    ase is

     

    ero because

    Ü66 

    N

    6

     

    OS

     

    a

      _ 

    N

    6

     

    Sin

     

    a

     

    =

     

    0

    3

    5)

     

    cos

      in 

    Equations

     28),

     

    (31), 

    and

     34) how 

    he

     ontribution

     

    of each

     

    externally 

    applied

     oad, 

    N

    p

     

    N

    2>

     

    and

     

    N

    6>

     

    to 

    he

     xial  tress 

    long

     he unidirectional 

    layer

     

    with an

     

    orientation

     

    of

     a

     

    degrees rom 

    he 

    1-axis.  The

     

    total

     

    axial 

    stress s, 

    by

     superposition:

     

    i

     

    . n 

    m

     

    20

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    35/234

    4a 

    .

     

    2

    4c

     

    A

     

    cos

     a

     

    4b  

    Figure

     

    4.

      Netting Analysis  Notation

     

    21

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    36/234

    This

     

    equation gives he maximum

     

    oad-carrying capacity of

     

    each 

    uni- 

    directional 

    constituent ayer

     of 

    a

     aminated composite.

      The

     

    ultimate

     oad

     s 

    governed

     by

     

    he 

    axial  strength,

      X,   of 

    each

     unidirectional ayer.  It s,  of 

    course,

     

    assumed

     

    hat 

    some

     

    nternal

     

    agency

     

    of

     he 

    aminated

     

    composite,

     

    by

     

    virtue

     

    of

     

    the ilament crossovers, s 

    capable

     of supporting he nternal 

    forces

     N,^ 

    an<

    ^

     

    N

    ?

      t

     

    east 

    up o

     he axial strength of

     

    he constituent

     

    ayers.

     

    The 

    validity of his analysis s imited 

    o

     he capability

     

    of

     

    he nternal

     

    agency 

    o

     

    ransfer

     he oad.  In 

    particular,

      the ilament crossovers 

    n

     helical-

     

    wound ubes

     will be examined as a specific nternal agency.  As

     tated

     pre- 

    viously,  the 

    effect 

    of

     crossovers

     

    may

     be characterized by

     effective

     

    ransverse

     

    and shear

     

    strengths,  Y and 

    S,

     higher 

    han

     hose of unidirectional composites, 

    and 

    by

     a reduction

     in

     

    he

     

    effective

     axial strength

     X,

     

    possibly caused

     

    by

     

    he

     

    abrasive

     action between

     

    filaments at crossover points.  Presently,

     

    the 

    exact

     

    change n magnitude of

     

    hese

     

    effective 

    trengths

     

    must be

     determined experi-

     

    mentally.  Future

     nvestigations may

     

    provide

     

    a

     

    basis 

    or

     he

     heoretical 

    pre-

     

    diction

     

    of

     

    hese

     

    values.

     

    In

     he

     next wo

     sections,

      detailed

     

    procedures 

    or

     he determination

     

    of

     

    the 

    oad-carrying

     

    capacity 

    of cross-ply

     

    and 

    helical-wound

     ubes will

     be

     out-

     

    lined.

      The heoretical

     results 

    will 

    be compared with

     experimental 

    data,

     

    using E 

    glass 

    and epoxy

     

    as 

    he 

    constituent 

    materials. 

    22  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    37/234

    Cross-Ply 

    Composi tes

     

    In this paragraph,  the deformation and ultimate

     

    trength of 

    cross-ply composites are discussed.

     

    Theoretical predictions,  using the 

    strength analysis program outlined 

    in

     Appendix A,  are made.  A sample 

    problem s presented in detail and numerical results are abulated.

     

    The 

    theoretical results are 

    hen

     compared with experimental 

    data.

     

    A cross-ply composite consists of 

    two

     systems of unidirectional 

    constituent

     

    ayers

     

    with adjacent ayers oriented

     

    orthogonal

     

    o each other. 

    There 

    are

     

    wo

     

    amination

     

    parameters:

     

    (1)

     

    the 

    otal

     

    number

     

    of

     

    layers,

     

    n,

     

    each

     

    layer 

    may

     consist of

     one 

    or

     

    more

     

    unidirectional

     

    plies of

     roving,  all 

    of which 

    must have he same iber orientation), 

    and

     2 )  the cross-ply

     

    atio,

      m,  which

     

    is

     defined

     

    as

     he

     

    atio of

     the 

    otal hickness of all the ayers oriented in one 

    direction 

    o

     he otal

     

    hickness of the 

    ayers

     

    n

     he orthogonal 

    direction.

      For

     

    laminated beams

     

    nd plates,  as

     

    reported

     

    in

     

    References

      1 and ,

     

    the cross-ply 

    ratio s

     omputed

     using

     

    he 

    ayers 

    with

     

    degree 

    orientation,

      as 

    measured 

    from he

     

    eference

     

    coordinate

     ystem,  as 

    he

     first

     ystem of layers.  In 

    the 

    case of 

    cylindrical 

    pressure vessels,  which will be discussed 

    in 

    his para-

     

    graph, 

    the

     cross-ply

     ratio

     

    s

     defined

     

    on

     

    the 

    basis 

    of

     he outermost

     

    ayer

     as

     

    being

     n 

    the

     first

     

    system of ayers. 

    If

     the outermost ayer s 

    a

     hoop winding,

     

    which

     

    is usually he case,

      then

     he

     

    cross-ply ratio s he ratio of

     

    the thick- 

    ness of all he hoop windings o hat of the ongitudinal windings. 

    The 

    deformation

     

    and

      ltimate 

    strength

     

    of 

    cross-ply

     specimens 

    12 

    7

     

    subjected

     

    to

     uniaxial

     

    ension has been 

    reported

     previously.  '  '  However,

     

    a

     computational error n he calculation of the

     

    tress at

     

    nitial yielding the 

    knee) has 

    been

     discovered. 

    The

     corrected theoretical result is as ollows:

     

    Cross-ply

     

    Ratio,

     

    m

     

    nitial

     

    Yielding,

     

    Nj/h,

     

    ksi

     

    0.25 .9

     

    1.00 3.7 

    2.50

    7.6

     

    4.00

    9.1 

    23  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    38/234

    These esults 

    ave

     been omputed 

    using

     he ollowing material 

    properties,  which

     

    are

     

    he  same 

    s

     hose eported previously: 

    c

    n

     

    =

     

    c

    2

    2

    2

     

    =

     

    -

    9

     

    x

     

    1Q6

     

    s

    i

    C(

    12 

    =

     

    C

    [

    Z

     

    =

      °-

    6

    x

     

    0

    6

    P

    si

    C

    2

    2

     

    =

     

    =

     

    66

     

    x

     

    1Q6

     

    psi

    clV 

    =

      C 

    Z

      =   1 . 2 5 

    x 0

    6

     

    ps i 

    66 6 

    ü

     

    < ' i? 4? 

    o^

    1

    )  =aW 

    =

      3.5

     

    x 0"

    6

    in/in/°F

    C C ^ =

     

    a[

    Z)

      =   11.4

     

    x 0"

    6

    in. 

    /in.

     

    /°F

     

    4

    1

    )

     

    =

     

    <

    2

    >

     

    =

     

    0

     

    6

     

    T

      =

     

    -200°F

      (lamination temperature)

     

    n  =  

    3 number

     

    of 

    layers) 

    (37) 

    24

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    39/234

    In addition,  the ollowing 

    trength

     

    data

     are used: 

    =   X'  =

      15 0

     

    ksi 

    Y

      =  

    ksi 

    (38) 

    Y'

     

    =   Z0 ksi 

    S  =

     ksi

     

    These 

    material

     

    properties

      re 

    equired nputs

     n

     

    he 

    strength

     

    analysis

     

    program

     outlined n 

    Appendix A.  The 

    corrected theoretical

     

    results 

    show 

    better greement 

    with

     he experimental

     

    esults,

      as an

     be

     

    een

     

    n

     

    Figure

     

    (which

     

    s

     Figure 

    of

     Reference

     

    2

     

    and

     

    Figure 

    of

     

    Reference 

    with

     

    he

     

    cor-

     

    rected

     

    initial yielding 

    curve 

    hown).  The procedure

     

    for he 

    determination 

    of 

    the  ost

     

    yielding tiffness nd he

     

    ultimate oad is  lso  utlined

     

    these

    references.

     

    Essentially,

      post-yield oad carrying 

    capability

     s

     possible

     for 

    cross-ply composites because he filaments n he direction

     

    of 

    he

     pplied 

    uniaxial

     

    oad 

    can

     

    carry he prevailing

     oad.

      No

     internal 

    agency

     for

     oad 

    transfer s

     

    required 

    n

     this 

    ase.

     

    The 

    ultimate oad s  btained

     

    when he 

    axial 

    trength of

     he

     unidirectional ayer 

    s

     

    eached,  i. 

    e. 

    when 

    X  =   150

     

    ksi. 

    It 

    is mportant

     

    o ecognize

     

    hat

     

    he

     value

     

    he

     xial

     

    trength

     X

     

    experimentally determined.  It

     

    s ot alculated from 

    he

     fiber trength

     

    using 

    the

     ule-of-mixtures quation, 

    from which,

     for E glass,

     

    the omputed

     

    axial 

    strength 

    would

     

    be

     

    400

     

    /3

     

    =

     

    266 

    ksi 

    filament

     trength times percent

     

    fila- 

    ment

     volume).

     

    Cross-ply

     

    pressure 

    vessels

     

    will

     now

     be

     xamined. 

    A

     typical

     vessel

     

    is

     

    hown n Figure  . The middle hird of

     

    he

     

    vessel is he 

    est

     ection, 

    the 

    nds

      eing

     

    built

     up

     from special 

    aluminum 

    fittings.  The basic  esign of 

    the vessel

     

    was

     

    eveloped

     at

     Aeronutronic 

    nder

     another 

    esearch

     program. 

    The ongitudinal 

    layers

     

    were

     aid

     

    up by hand 

    and

     the

     hoop

     

    layers

     

    wound 

    by 

    machine. 

    The

     ovings  sed were  0-end

     

    E glass preimpregnated with

     

    epoxy 

    25

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    40/234

    " S .  8 

    r-H  

    ^

      A

     

    I/)  

    L U

     

    U.

     

    LL. 

    R

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    41/234

    Figure .  Cross Ply Pressure Vessels 

    27 

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    42/234

    resin.  Two-element 

    train

      ages were bonded o ach pressure vessel with 

    the

     elements

     oriented n

     he

     oop and

     

    ongitudinal

     directions.

      Internal

     pres-

     

    surization was chieved 

    using hydraulic

     

    il

     

    and

     

    a pumping arrangement

     

    specifically

     

    esigned

     

    for

     

    testing

     

    pressure

     

    vessels.

     

    Internal

     

    pressure

     

    nd

     

    strains

     were

     

    ecorded by a 

    multi-channel

     

    continuous

     ecorder. 

    Using

     he 

    material

     

    properties

     

    isted

     n

     

    quations

     

    (37)

     nd

     38) 

    he

     program

     

    outlined

     

    in 

    Appendix

     A, 

    the

     esults 

    iven 

    able

      were 

    btained

     for cross-ply 

    ratios

     

    f

     

    0.4, 

    1.

     

    nd 

    4.

     

    0.

     *

     

    TABLE

     

    CROSS-PLY PRESSURE 

    VESSELS -INTERNAL 

    PRESSURE 

    Cross-ply

     

    Ratio

     

    m) 

    0.4 

    1.0 

    4.0

     

    11

     

    0.

     158 

    0. 

    19 1 

    0.

     273 

    A

    12 

    (10

    -

    6

     in/lb)- 

    -0.025 

    -0.024

     

    -0.026 

    22

     

    0.

     244 

    0.

     191 

    0.

     

    147 

    N

    2

    /h 

    (hoop  tress 

    at 

    initial

     

    yielding) 

    9. 

    3

     ksi 

    12. 

    8

     

    ksi

     

    14.6 

    ksi

     

    Yielding 

    Location 

    Long. 

    Long. 

    Hoop 

    *The

     

    numerical

     

    values

     

    he 

    A*

     

    matrix

     

    are

     

    lso

     given

     

    on

     

    pp

     65,

     

    67,

     

    and 

    69

     

    of

     Reference

     

    with he xes 

    1

     nd  interchanged. 

    This 

    hange

     

    necessary

     

    because  f he 

    differences

     n

     he

     

    efinitions

      f he cross-ply atio  ited 

    earlier

     

    this

      section. 

    28

     

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    43/234

    Using a eference oordinate

     

    ystem with he 1-axis n

     

    he 

    longitudinal direction nd he

     

    2-axis n he oop direction, 

    strains

      long 

    these xes

     

    an be omputed using

     

    Equation 25): 

    Longitudinal 

    Strain  = 

    e

    A. 

    N   + 

    A.

     

    2

     N  

    - i 

    A

    ti

    +

     I

    2

     

    N

    2  

    Hoop

     Strain

     

    =  

    ^

      =  

    A.  N.  +

      A^

    z

     N

    2

    =

      (i

    A

    tz 

    +

     

    A

    22

     N

    (39)

     

    (40) 

    where N, =

     

    N

    ?

     

    =  PR s ssumed

     

    and 

    P

      =  internal

     

    pressure,

     

    R

      =  radius. 

    Strain 

    after initial yielding

     

    btained 

    by he usual

     

    neeting

     

    analysis, 

    which 

    assumes hat

     each

     unidirectional layer etains

     

    nly its xial tiffness, 

    E..,

      the

     ransverse tiffness nd shear

     

    modulus

     being zero.  The esulting 

    relations,

      as

      shown

     

    n

     

    Equation 9-5) 

    f

     

    Reference 1,

     

    are: 

    11 

    +

     

    =

      J_Z-1±}

    41)

     

    PR

     

    E

    ll

    h

     

    °

     

    +

      m 

    PR

     

    =

     

    x

     

    m

    42) 

    where h represents he

     

    total

     

    wall 

    thickness

      f

     he

     pressure vessel. 

    Taking

     

    E..

     

    s 7.8x 

    0

      psi,  which s

     epresentative

     

    f an

     E  lass 

    -

     

    epoxy

     

    omposite

     with a 

    fiber 

    volume 

    f

     approximately 

    5

     

    percent,

      the 

    longitudinal and hoop

     

    trains,

      before 

    and

     

    after initial yielding

     

    the knee),

     

    are

     

    obtained

     

    from

     

    Equations 

    (39)

     

    hrough

     

    42).

     

    These

     

    re

     

    iven 

    n

     

    able

     

    I.

     

    2 9  

  • 8/17/2019 Netting 2.pdf

    44/234

    TABLE 

    LONGITUDINAL

     AND

     HOOP STRAINS OF 

    CROSS-PLY

     VESSELS 

    Cross 

    -ply

     

    Before

     

    Yielding

      After Yielding 

    Ratio 

    (m) 

    E

    ll

    h

     

     

    PR  

    1

     

    E

    H

     

    e

    „ 

    PR   2  

    E

    n

     

    ^

    PR 

    1  

    E

    n

     

    ?0 

    PR

      2  

    0.4 

    1.0

     

    4.0 

    0.42

     

    0.55

     

    0.86 

    1.81 

    1.40

     

    1.05 

    0.

     70

     

    1.00

     

    2 . 

    50

     

    3. 50

     

    2.00

     

    1.

     25

     

    The burst pressure 

    of

     he cross-ply 

    vessels

     may be predicted as 

    follows: 

    First,

      the axial  tress 

    n

     

    he

     unidirectional omposite  t

     he

     

    initial 

    yielding

     must

     

    be

     determined.

     

    Assuming that

     he 

    outermost layer

     

    of all

     

    vessels

     s n he hoop direction along he

     


Recommended