This paper is concerned with modeling of a ductile fracture criterion for sheet metal considering anisotropy to predict the sudden fracture of advanced high strength steel (AHSS) sheets during complicated forming processes. The Lou−Huh ductile fracture criterion is modified using the Hill’s 48 anisotropic plastic potential instead of the von Mises isotropic plastic potential to take account of the influence of anisotropy on the equivalent plastic strain at the onset of fracture. To determine the coefficients of the model proposed, a two dimensional digital image correlation (2D-DIC) method is utilized to measure the strain histories on the surface of three different types of specimens during deformation. For the derivation of an anisotropic ductile fracture model, principal stresses (𝜎1,𝜎2, 𝜎3) are expressed in terms of the stress triaxiality, the Lode parameter, and the equivalent stress (𝜂𝐻, 𝐿,) based on the Hill’s 48 anisotropic plastic potential. The proposed anisotropic ductile fracture criterion was quantitatively evaluated according to various directions of the maximum principal stress. Fracture forming limit diagrams were also constructed to evaluate the forming limit in sheet metal forming of AHSS sheets over a wide range of loading conditions.
In the present work, the ductile fracture behaviors of ultra-high strength steel sheets along the different loading directions are investigated under various loading paths. Three loading paths, i.e., in-plane shear, uniaxial tension, plane strain tension deformations, are considered, and the corresponding specimens are described. The experiments are conducted using the digital image correlation (DIC) system to analyze the strain at the onset of the fracture. The experimental results show that the loading path for each specimen sample is linear, and different values of the fracture strains for the loading direction from the plane strain tension are observed. The ductile fracture model of the modified Mohr-Coulomb (MMC) is constructed based on the experimental data and evaluated along the rolling direction and transverse direction under various loading paths.
Fractures in the form of micro cracks are commonly found in natural rocks. A rock behaves in a complex way due to fracture; in particular, the anisotropic strength of a rock material is significantly influenced by the presence of these fractures. Therefore, it is essential to understand the failure mechanism of a fractured rock. In this study, a fractured rock is formulated in terms of fabric tensor based on geometric and mechanical simplifications. In this way, position, density and shape of fractures can be determined by the fabric tensor so that rocks containing multi-fractures can successfully be modeled. Also an index to evaluate the degree of anisotropy of a fractured rock is proposed. Hence, anisotropic strength of a rock containing fractures under uniaxial compression condition is estimated through a series of numerical analyses for the multi-fractured model. Numerical investigations are carried out by varying the fracture angle from $0^{\circ}\;to\;90^{\circ}$ and relationship between uniaxial compression strength and the degree of anisotropy is investigated. By comparing anisotropic strength of numerical analysis with analytic solution, this study attempts to understand the failure mechanism of rock containing fractures.
Mode II fracture toughness, $K_{IIC}$, of single-ply triaxially woven fabric (TWF) composite due to tow waviness and anisotropy effects were numerically and experimentally studied. The numerical wavy beam network model with anisotropic material description denoted as TWF anisotropic was first validated with experimental Mode II fracture toughness test employing the modified compact tensile shear specimen configuration. 2D planar Kagome and TWF isotropic models were additionally constructed for various relative densities, crack lengths, and cell size parameters for examining effects due to tow waviness and anisotropy. $K_{IIC}$ generally increased with relative density, the inverse of cell size, and crack length. It was found that both the waviness and anisotropy of tow inflict a drop in $K_{IIC}$ of TWF. These effects were more adverse due to the waviness of tow compared to anisotropy.
Since standardized fracture test specimens cannot be easily extracted from in-service components, several alternative fracture toughness test methods have been proposed to characterize the deformation and fracture resistance of materials. One of the more promising alternatives is the local approach employing the SP(Small Punch) testing technique. However, this process has several limitations such as a lack of anisotropic yield potential and tediousness in the damage parameter calibration process. The present paper investigates estimation of ductile fracture resistance(J-R) curve by FE(Finite Element) analyses using an anisotropic damage model and enhanced calibration procedure. In this context, specific tensile tests to quantify plastic strain ratios were carried out and SP test data were obtained from the previous research. Also, damage parameters constituting the Gurson-Tvergaard-Needleman model in conjunction with Hill's 48 yield criterion were calibrated for a typical nuclear reactor material through a genetic algorithm. Finally, the J-R curve of a standard compact tension specimen was predicted by further detailed FE analyses employing the calibrated damage parameters. It showed a lower fracture resistance of the specimen material than that based on the isotropic yield criterion. Therefore, a more realistic J-R curve of a reactor material can be obtained effectively from the proposed methodology by taking into account a reduced load-carrying capacity due to anisotropy.
Groundwater inflow into the caverns constructed in fractured rock mass was simulated by numerical modeling, NAPSAC (DFN, discrete fracture network model) and NAMMU (CPM, continuous porous media model), a finite-element software package for groundwater flow in 3D fractured media developed by AEA Technology, UK. The input parameters for modeling were determined on surface fracture survey, core logging and single hole hydraulic test data. In order to predict the groundwater inflow more accurately, the anisotropic hydraulic conductivity was considered. The anisotropic hydraulic conductivities were calculated from the fracture network properties. With a minor adjustment during model calibration, the numerical modeling is able to reproduce reasonably groundwater inflows into cavern and the travel length and times to the ground surface along the flow paths in the normal, dry and rainy seasons.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.6
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pp.993-1000
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2002
The objective of this work is to develop the capability to analyze accurately the mixed-mode propagation of a crack in composite structures with elastic orthotropic material stiffness properties and anisotropic material strength characteristics. In order to develop the capability to fully analyze fracture growth and failure in anisotropic structures, we examined the fundamental problem of mixed mode fracture by carrying out the analysis on orthotropic materials with an inclined crack subject to biaxial loading. Our goal here is to include an additional term in the asymptotic expansion of the crack tip stress field and to show that the direction of crack initiation can be significantly affected by that term. We employ the normal stress ratio theory to predict the direction of crack extension. It is shown that the angle of crack extension can be altered by horizontal loads and the use of second order term in the series expansion is important f3r the accurate determination of crack growth direction.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.15
no.6
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pp.62-72
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2007
Fracture analysis of human bone is necessary to predict the failure of musculoskeletal structures and to heal them by several possible mechanisms under different loading conditions. But human bone is a complex material, with a multiphase, heterogeneous and anisotropic microstructure. Due to the difficulty of obtaining experimental and clinical results, the importance of numerical analysis and computational simulations in biomechanics are increasing gradually. In this study, stress analysis for human femur model is performed by using the 2-dimensional finite element method(FEM) and its stress distribution is determined. From these results, the fracture mechanic parameters are calculated and the fracture criteria on human femur are investigated and discussed.
Shale gas formations exhibit strong mechanical and strength anisotropies. Thus, it is necessary to study the effect of anisotropy on the hydraulic fracture initiation pressure. The calculation model for the in-situ stress of the bedding formation is improved according to the effective stress theory. An analytical model of the stresses around wellbore in shale gas reservoirs, in consideration of stratum dip direction, dip angle, and in-situ stress azimuth, has been built. Besides, this work established a calculation model for the stress around the perforation holes. In combination with the tensile failure criterion, a prediction model for the hydraulic fracture initiation pressure in the shale gas reservoirs is put forward. The error between the prediction result and the measured value for the shale gas reservoir in the southern Sichuan Province is only 3.5%. Specifically, effects of factors including elasticity modulus, Poisson's ratio, in-situ stress ratio, tensile strength, perforation angle (the angle between perforation direction and the maximum principal stress) of anisotropic formations on hydraulic fracture initiation pressure have been investigated. The perforation angle has the largest effect on the fracture initiation pressure, followed by the in-situ stress ratio, ratio of tensile strength to pore pressure, and the anisotropy ratio of elasticity moduli as the last. The effect of the anisotropy ratio of the Poisson's ratio on the fracture initiation pressure can be ignored. This study provides a reference for the hydraulic fracturing design in shale gas wells.
Proceedings of the Korean Society for Rock Mechanics Conference
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2000.09a
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pp.129-137
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2000
This paper presents groundwater flow characteristics in discontinuous rock mass using fracture network program(NAPSAC) by statistical approach. Equivalent permeability coefficients are estimated from borehole data around Mabuk test tunnel site and fracture map on the arch of the tunnel. The reliability of fracture network model is obtained from determination of input data for statistical fracture network analysis from the real data(data of fracture network, data of hydraulic tests). The variation of permeability and mean anisotropic permeability coefficients are calculated from the realized model by increasing the size. As a result of analysis, a strong anisotropy of permeability is observed according to the direction of the fracture sets around the test tunnel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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