Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea (한국전산구조공학회논문집)

Computational Structural Engineering Institute of Korea (한국전산구조공학회)
권호 표지

Fracture Mechanics Analysis of a Interface Crack in the Weld of Dissimilar Steels using the J-integral

J-적분을 이용한 이종강재 용접접합부 계면균열의 파괴역학적 해석

  • 이진형 (중앙대학교 공과대학 토목공학과) ;
  • 장경호 (중앙대학교 공과대학 건설환경공학과)
  • Published : 2004.12.01
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Abstract

For the fracture mechanics analysis of cracks in welds of dissimilar steels, residual stress analysis and fracture analysis must be performed simultaneously. The standard definition of the J -integral leads to a path dependent value in the presence of a residual stress field. And unlike cracks in homogeneous materials, a bimaterial interface crack always induces both opening and shearing modes of stress in the vicinity of the crack tip. Therefore, it is necessary to develope a path independent J-integral definition for a crack in a residual stress field generated by welding of dissimilar steels. This paper addresses the modification of the Rice-J-integral to produce a path independent J -integral when residual stresses due to welding of dissimilar steels and external forces are present. The residual stress problem is treated as an initial strain problem and the J-integral proposed for this class of problems is used. And a program which can evaluate the J -integral for a crack in a weld of dissimialr steels is developed using proposed J integral definition.

용접접합부 균열의 파괴역학적 해석을 위해서는 용접중에 발생하는 잔류응력해석과 파괴해석이 병행되어야 한다. 잔류응력이 존재하면 J-적분은 더 이상 적분경고에 관계없이 인정한 값을 갖는 특성을 잃어버리게 된다. 또한 균질한 재료와는 달리 이종재료 계면균열에서는 균열선난에서 Mode I과 Mode II의 파괴거동이 동시에 발생한다. 그러므로 이종강재 용접접합부 균열의 J-적분 해석을 위해서는 이종강재 용접시 발생하는 잔류응력이 존재하는 경우에도 적분경로에 관계없이 일정한 값을 갖는 새로운 J-적분식이 도입되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 기존의 J-적분을 수정하여, 이종강재 용접시 발생하는 잔류응력이 존재하는 경우에 경로 독립성을 유지하는 J-적분을 고찰하고, 이를 이용하여 잔류응력과 외력이 동시에 작용하는 균열선단에서의 J-적분을 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 자체개발한 탄소성 해석프로그램을 이용하여 이종강재 용접시 잔류응력과 외력에 대한 응력분포를 계산하였으며, 이를 이용하여 잔류응력과 외력의 복합하중에 대한 J-적분을 계산하였다.

Keywords

References

  1. Anderson, T.L., 'Fracture Mechanics Fundamentals and Applications', CRC Press. 2nd edition, 1995
  2. Rice, J.R., 'A path independent integral and the approximate abalysis of strain concentration by notches and crack', J. Appl. Mech Vol 35, 1968, pp.379-386
  3. BSI, Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in structure. Guide B57910-1999
  4. Kumar. V.J., Schumacher, B.I., German, M.D., Developement of a procedure for incorporation secondary stress in the engineering approach, Section 7 in EPRI Report EPRI NP-3607, 1984
  5. 장경호, 이상형, 이진형, 강재훈, '2차원과 3차원 FEM해석에 의한 절단응력의 해석 및 정도', 한국전산구조공학회 논문집 제16권 제3호, 2003, pp.261-269
  6. 장경호, 이진형, '인장력을 받는 이종강재 용접접합부의 잔류응력 해석', 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제22권,2-A호, 2002, pp.201-210
  7. 장경호, 이진형, '동종강재 및 이종강재 용접접합부의 잔류응력 특징', 한국강구조학회 논문집 제15권 3호, 2003, pp.241-250
  8. Kim, Y.C., Chang., K.H. Horikawa. K., すみ肉溶接で生じる面外變形の防止, 일본강구조학회 논문집, 1999, pp.11-16
  9. Y.C.Kim. K.H. Chang, and K. Horikawa, すみ肉溶接で生じる面外變形の生成機構と普遍性の檢證, 일본용접학회 논문집, 일본 용접학회, 1999, pp.294-300
  10. Ikeda T., Sun, C.T., 'Stress intensity factor analysis for an interface crack between dissimilar isotropic materials under thermal stress, International Journal of Fracture, Vol.111, 2001, pp.229-249
  11. Li, F.Z., Shin, C.F., Needleman, A., 'A comparision of methods for calculating energy release rates'. Engineering Fracture Mechanics, Vol.21, No.2, 1985, pp.405-421
  12. Nikishkov, G.P., Atluri, S.N., An equivalnet domain integral methodfor computing crack-tip integral parameters in non-elastic, thermal mechanical fracture, Engineering Fracture Mechanics, Vol.26, 1987, pp.851-867
  13. Woo, K.S., Hong, C.H., Shin. Y.S., 'An extended equivalent domain integral method for mixed mode frature problems by th p-version of FEM', Int. J. Meth. Engng, Vol.42, 1998, pp.857-884
  14. Raju, I.S., 8hivakumar, K.N., 'An equivalnet domain integral method in the two-dimensional analysis of mixed mode crack problems', Engineering Fracture Mechanics, Vol. 37, 1990, pp.707-725
  15. Mukherjee, S., Ananth, C.R., Chandra, N., Effect of residual stresses on the interfacial fracture behavior of metal-matrix compo- sites, Composites Science and Technology. Vol. 57 , 1997, pp.1501-1512
  16. Lei, Y., O'dowd. N.P., Webster, G.A., Fracture mechanics analysis of a crack in a residual stress field, InternaUonal Journal of Frcture, Vol. 106, 2000, pp.195~216
  17. Ainsworth. R.A., Neale. B.K., Price. R.H., Fracture behaviour in the presence of thermal strains. Proc. Int. Conf. on Tolerance of Flaws jn Pressurised Components. 1978. pp.171- 178
  18. Buecker. H.F., Weight function for the notched bar, Z. Angewandte Mathemat. Mechan, Vol.51, 1971, pp.97-109
  19. Ng. S.W., Lau. K.J., A new weight function expression for through cracks. Engjneedng Fracture Mechanjcs, Vol. 64, 1999. pp.515-537
  20. Fett. T., Bahr. H-A., 'Mode I stress intensity factors and weight fucntions for short plates under different boundary conditions.' Engjneedng Fracture Mechanjcs, Vol.62, 1999, pp.593-606
  21. Wang. Q.Z., 'Some simple mode I SIF expressions of finite width strip with a center cdrack derived by using an approximate weight function', Engjneering Fracture Mechanics. Vol.60 1998, pp.37 ~45
  22. 신성진, 홍종현, 신병천, 우광성, 2차원 균열판에서 등가역역적분법에 의한 p-version 유한요소모델, 대한토목학회 논문집, 제17권 제1-2호, 1997, pp.137-147
  23. 김석, 심용래, 배성인, 송정일, 후판 부분용입 다충용접의 잔류응력 및 파괴해석, 대한용접학회 논문집, Vol.19. No.6. 2001. pp.636~642
  24. Lei. Y., Ainsworth. R.A., 'A J-integral estimation method for cracks in welds with mismatched mechanical properties'. Int. J. Pres. Ves. & Piping. Vol.70. 1997. pp.237-245
  25. Lei. Y., Tao, J., Li. P.N., 'Limits load and J estimation of a centre cracked plate with an asymmetric crack in a mismatched weld'. Int. J. Pres. Ves. & Piping. Vol.76. 1999, pp.747-757
  26. Kim. J.H., Paulino. G.H., 'Finite element evaluation of mixed mode stress intensity factors in functionally graded materials'. Int. J. Num. Meth, Vol.53, 2002. pp.1903-1935