In order to investigate the optimum condition of the autofrettage process for the diesel engine injection pipe, different values of autofrettage pressure, pressure rising time, pressure holding time, and repetition of autofrettage process were applied. Autofrettage was preformed by applying the hydrostatic internal pressures of 603 MPa, 535 MPa, 500 MPa on the fuel injection pipe, corresponding to theoretically 50%, 30%, and 20% overstrain levels, respectively. The autofrettage residual stresses in the injection pipe were experimentally determined by using X-ray diffractometer. As the overstrain level increased, the magnitude of compressive residual stress at the bore increased. It was found that the rising time to reach the autofrettage pressure, holding time at the autofrettage pressure, and repeating application of the autofrettage pressure on the pipe had no significant influence on the residual stress distributions.
Based on the composite finite element simulation and a series of hydrostatic pressure and burst tests, autofrettage effects on strength and deformation of fiber reinforced pressure vessel with metallic liners have been studied in the paper (autofrettage: during the course of one pressure taking effect, the increasing internal stress in metallic liner can surpass the yielding point and the plastic deformation will happen, which result in that when there is no internal pressure, there are press stress in liner while tensile stress in fiber lamination). By making use of a composite finite element Ansys code and a series of experiments, the autofrettage pressure is determined in order to make the aluminium liner be totally in elastic state, under given hydrostatic test pressure. The stress intensity factors of the longitudinal crack in aluminum liner end under internal pressure and thermal loads have been computed and analyzed before and after the autofrettage processing. Through numerical calculation and experiment investigations, it is found that a correct choice for autofrettage pressure can improve the gas-tightness and fatigue strength of FRP vessel.
Elastic-plastic stress analysis has been performed to evaluate the fatigue life of an autofrettaged pressure vessel containing cross-bores subjected to pulsating internal pressure of 200 MPa. Finite element analyses were used to calculate the residual and operating stress distributions of the pressure vessel due to the autofrettage process and pulsating internal pressure, respectively. Theoretical stress concentration factors of 3.06, 2.58, and 2.64 were obtained at the cross-bore of the pressure vessel due to internal pressure, 50%, and 100% autofrettage loadings, respectively. Local stresses and local strains determined from the elastic-plastic finite element analysis were employed to calculate the failure location and fatigue life of the pressure vessel with radial cross-bores, incorporating the low-cycle fatigue properties of the pressure vessel steel and fatigue damage parameters. Increase in the amount of overstrain by autofrettage process moved the crack initiation location from the inner radius toward a mid-wall, and extended the crack initiation life. Predicted fatigue life of the fully autofrettaged pressure vessel with cross-bores increased about 50%, compared to the unautofrettaged pressure vessel. At the autofrettage level higher than 50%, the failure location and fatigue life of the pressure vessel were not significantly influenced by the autofrettage level.
본 연구에서는 열탄성 해석과 복합재/알루미늄 링시편 실험을 통해 성형 온도와 자긴 압력이 복합재와 알루미늄 라이너로 구성된 Type 3 극저온 추진제 탱크에 미치는 영향을 살펴보았다. 우선 Type 3 탱크의 온도분포를 구한 뒤 이를 경계조건으로 사용하여 성형온도와 자긴 압력의 영향을 고려한 탄성해석을 수행하였다. 그 결과 복합재의 성형온도가 증가할수록 복합재와 알루미늄 라이너에 각각 잔류압축응력과 잔류인장응력이 증가하였다. 한편 자긴 압력은 극저온 환경에 의해 유발된 잔류열응력의 감소를 초래하였으며 자긴 압력의 크기가 증가할수록 이러한 경향은 두드러졌다. 이러한 성형 온도와 자긴 압력의 영향은 Type 3 극저온 추진제 탱크의 설계 및 제작 단계에 반드시 고려되어야 한다.
In this study, experiments and finite element method analysis were used to determine the autofrettage pressure that is optimal and then maximizes the cycling life of Type3 composite cylinders used in self-contained breathing apparatus. For both approaches, the cylinders were pressurized at 100, 110, ${\ldots}$, 290 % of the test pressure, respectively. The stresses were computed by the FEM analysis; while the strains of cylinders were recorded and the failure modes were monitored during the cycling test. As a result, from the good agreements between the simulations and experiments, it was concluded that at least 70 % of the test pressure should be applied as the autofrettage pressure in order to takes visible effect on the cycling life, and 160 % of the test pressure induces the maximum cycling life and the desired failure mode.
The Advanced Power Reactor 1400 (APR1400) Steam Generator (SG) uses alloy 690 as a tube material and SA-508 Grade 3 Class 1 as a tubesheet material to form tube-to-tubesheet joint through hydraulic expansion process. In this paper, the residual stresses in the SG tube-to-tubesheet contact area was investigated by applying Model-Based System Engineering (MBSE) methodology and the V-model. The use of MBSE transform system description into diagrams which clearly describe the logical interaction between functions hence minimizes the risk of ambiguity. A theoretical and Finite Element Methodology (FEM) was used to assess and compare the residual stresses in the tube-to-tubesheet contact area. Additionally, the axial strength of the tube to tubesheet joint based on the pull-out force against the contact joint force was evaluated and recommended optimum autofrettage pressure to minimize residual stresses in the transition zone given. A single U-tube hole and tubesheet with ligament thickness was taken as a single cylinder and plane strain condition was assumed. An iterative method was used in FEM simulation to find the limit autofrettage pressure at which pull-out force and contact force are of the same magnitude. The joint contact force was estimated to be 20 times more than the pull-out force and the limit autofrettage pressure was estimated to be 141.85MPa.
Autofrettage process is used for internal forming and sizing of cylinder designed to withstand high internal pressures. Once the tube is autofrettaged, it needs to be machined to its final dimensions both at the bore and its outer surface. This paper presents an analytical analysis and numerical analysis of machined compound cylinder using finite element code, ANSYS10.0. An analytical model for predicting the level of autofrettage following either inner, outer, or combined machining of the compound cylinder is developed for the autofrettage residual stress field is simulated by an autofrettaged pressure. The autofrettaged pressures are obtained by using trying-error method. As autofrettage percentage is 20 % and 40 %, the numerical results are found to be in almost agreement with the analytical ones. However, as autofrettage percentage is 60 %, the numerical results have a little difference with the analytical ones.
Autofrettage process is used for internal forming and sizing of cylinder designed to withstand high internal pressures. Once the tube is autofrettaged, it needs to be machined to its final dimensions both at the bore and its outer surface. This paper presents an analytical analysis and numerical analysis of machined compound cylinder using finite element code, ANSYS10.0. An analytical model for predicting the level of autofrettage following either inner, outer, or combined machining of the compound cylinder is developed for the autofrettage residual stress field is simulated by an autofrettaged pressure. The autofrettaged pressures are obtained by using trying-error method. As autofrettage percentage is 20 %, the numerical results are found to be in almost agreement with the analytical ones. However, as autofrettage percentage is 60 %, the numerical results have a little difference with the analytical ones.
Thick-walled cylinder with high pressure have had wide application in the armament industry. In the thick-walled cylinder, fatigue crack is generated at inner radius and developed toward the outer radius. To prevent generation of fatigue crack, the autofrettage process had been used. The compressive residual stress induced by the autofrettage process extends loading pressure and fatigue life of the thick-walled cylinder. In this study, the residual stress of single and compound cylinder by the autofrettage process was evaluated. The analytical compressive residual stress of single cylinder was good agreement with experimental result at inner radius. The analysis on the residual stress of compound cylinder was conducted. The compressive residual stress at inner radius was increased with the overstrain level. And fatigue life of the compound cylinder with initial crack was evaluated. The considered initial crack shape was straight and semi-elliptical. The fatigue life was extended with the overstrain level. The fatigue life of the compound cylinder with semi-elliptical crack was longer than straight crack. The suitable way to extend fatigue life of the compound cylinder was proposed.
To ensure the structural integrity of the autofrettaged thick-walled cylinder subjected to cyclic internal pressure loading, the fatigue crack propagation life of the cylinder was evaluated. Stress intensity factors of the external cracked cylinder due to internal pressure and autofrettage loadings were calculated using the finite element method. The fatigue crack propagation lives of the cylinder based on the fracture mechanics concepts were predicted and compared to the experimental fatigue lives evaluated from the C-shaped simulation specimens. There were good correlations between the predicted and experimental fatigue lives within a factor of 3 for the single and double grooved C-shaped simulation specimens. Predicted fatigue crack propagation lives of the double grooved cylinders were about 1.5-5 times longer than those of the single grooved cylinders depending on the levels of autofrettage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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