PURPOSES : In this study, a fracture-based finite element (FE) model is proposed to evaluate the fracture behavior of fiber-reinforced asphalt (FRA) concrete under various interface conditions. METHODS : A fracture-based FE model was developed to simulate a double-edge notched tension (DENT) test. A cohesive zone model (CZM) and linear viscoelastic model were implemented to model the fracture behavior and viscous behavior of the FRA concrete, respectively. Three models were developed to characterize the behavior of interfacial bonding between the fiber reinforcement and surrounding materials. In the first model, the fracture property of the asphalt concrete was modified to study the effect of fiber reinforcement. In the second model, spring elements were used to simulated the fiber reinforcement. In the third method, bar and spring elements, based on a nonlinear bond-slip model, were used to simulate the fiber reinforcement and interfacial bonding conditions. The performance of the FRA in resisting crack development under various interfacial conditions was evaluated. RESULTS : The elastic modulus of the fibers was not sensitive to the behavior of the FRA in the DENT test before crack initiation. After crack development, the fracture resistance of the FRA was found to have enhanced considerably as the elastic modulus of the fibers increased from 450 MPa to 900 MPa. When the adhesion between the fibers and asphalt concrete was sufficiently high, the fiber reinforcement was effective. It means that the interfacial bonding conditions affect the fracture resistance of the FRA significantly. CONCLUSIONS : The bar/spring element models were more effective in representing the local behavior of the fibers and interfacial bonding than the fracture energy approach. The reinforcement effect is more significant after crack initiation, as the fibers can be pulled out sufficiently. Both the elastic modulus of the fiber reinforcement and the interfacial bonding were significant in controlling crack development in the FRA.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.4
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pp.233-240
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2019
Open-hole tensile tests are usually performed to measure the tensile strengths of composites as they are an essential parameter for designing composite structures. However, correctly modeling the tensile test is extremely challenging as it involves various damages such as fiber and matrix damage, delamination, and debonding damage between the fiber and matrix. Therefore, a progressive damage model was developed in this study to estimate the in-plane failure and delamination between the fiber and matrix. The Hashin damage model and cohesive zone approach were used to model ply and delamination failures. The results of the present model were compared with previously published experimental and numerical findings. It was observed that neglecting delamination during finite element analysis led to overestimation of tensile strength.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.06a
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pp.337-340
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2005
The effect of residual stress on fatigue crack growth was investigated in terms of finite element analysis. Simulations were performed on a CT specimen in plane strain. An interface-cohesive element that accounts for damage accumulation due to fatigue along the notch direction has been used. Numerical results show that fatigue crack growth rate slows down when compressive residual stress field exists in front of the crack tip.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.4
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pp.413-420
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2012
An aluminum foil-laminated sheet is a laminated steel sheet on which aluminum foil is adhesively bonded. It is usually used on the outer panel of home appliances to provide an aluminum feeling and appearance on the surface of the product. The delamination of aluminum foil is one of the main problems during the stretch forming process. The purpose of this study is was to determine the delamination limit of an aluminum foil-laminated sheet in the stretch forming process. The delamination was dependent on the bonding strength between aluminum foil and steel sheet. The fracture behavior of the interface between the aluminum foil and the steel sheet was described by a cohesive zone model. A finite element was conducted with the cohesive zone model to analyze the relationship between the delamination limit and the bonding strength of the interface. The interface bonding strength was evaluated by lap shear and T-peel test. The delamination limit of the aluminum foil-laminated sheet was determined by using the bonding strength of the steel sheet. The delamination limit was also verified by the Erichsen test.
Hyun, Hong Chul;Lee, Jin Heang;Felix, Rickhey;Lee, Hyungyil
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.12
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pp.1503-1512
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2013
In this study, we proposed an indentation evaluation method for fracture toughness using cohesive finite element simulations. First, we examined the effect of material properties (yield strain, Poisson's ratio, and elastic modulus) on crack size during Vickers indentation and then generated a regression formula that explains the relations among fracture toughness, indentation load, and crack size. We also proposed another indentation formula for fracture toughness evaluation using the contact size a and E/H (H: hardness). Finally, we examined the relation between the crack size and the indenter shapes. Based on this, we can generate from the formula obtained using the Vickers indenter a formula for an indenter of different shapes. Using the proposed method, fracture toughness is directly estimated from indentation data.
An understanding of the failure mechanisms of the adhesive layer is decisive in interpreting the performance of a particular adhesive joint because the delamination is one of the most common failure modes of the laminated composites such as the fiber metal laminates. The interface between different materials, which is the case between the metal and the composite layers in this study, can be loaded through a combination of fracture modes. All loads can be decomposed into peel stresses, perpendicular to the interface, and two in-plane shear stresses, leading to three basic fracture mode I, II and III. To determine the load causing the delamination growth, the energy release rate should be identified in corresponding criterion involving the critical energy release rate ($G_C$) of the material. The critical energy release rate based on these three modes will be $G_{IC}$, $G_{IIC}$ and $G_{IIIC}$. In this study, to evaluate the fracture behaviors in the fracture mode I and II of the adhesive layer in fiber metal laminates, the double cantilever beam and the end-notched flexure tests were performed using the reference adhesive joints. Furthermore, it is confirmed that the experimental results of the adhesive fracture toughness can be applied by the comparison with the finite element analysis using cohesive zone model.
The size-effect study of various fracture parameters obtained from two parameter fracture model, effective crack model, double-K fracture model and double-G fracture model is presented in the paper. Fictitious crack model (FCM) for three-point bend test geometry for cracked concrete beam of laboratory size range 100-400 mm is developed and the different fracture parameters from size effect model, effective crack model, double-K fracture model and double-G fracture model are evaluated using the input data obtained from FCM. In addition, the fracture parameters of two parameter fracture model are obtained using the mathematical coefficients available in literature. From the study it is concluded that the fracture parameters obtained from various nonlinear fracture models including the double-K and double-G fracture models are influenced by the specimen size. These fracture parameters maintain some definite interrelationship depending upon the specimen size and relative size of initial notch length.
It has been argued that fracture energy of composite laminates depends on their thickness and number of layers. In this paper a modified direct energy balance approach (DEBA) has been developed to evaluate the mode-II shear fracture energy for E-glass/Epoxy laminates from finite element model at an arbitrary thickness. This approach considers friction and damage/plasticity deformations using cohesive zone modeling (CZM) and nonlinear finite element modeling. The presence of compressive stress and resulting friction was argued to be a possible cause for the thickness dependency of fracture energy. In the finite element modeling, CZM formulation has been developed with bilinear cohesive constitutive law combined with friction consideration. Also ply element have been developed with shear plastic damage model. Modified direct energy balance approach has been proposed for estimation of mode-II shear fracture energy. Experiments were performed on laminates of glass epoxy specimens for characterization of material parameters and determination of mode-II fracture energies for different thicknesses. Effect of laminate thickness on fracture energy of transverse crack tension (TCT) and end notched flexure (ENF) specimens has been numerically studied and comparison with experimental results has been made. It is shown that the developed numerical approach is capable of estimating increase in fracture energy due to size effect.
A novel type of steel fiber with a rounded-end shape is presented to improve the bonding behavior of fibers with Carbon Nanotubes (CNT)-reinforced Ultra-High Performance Concrete (UHPC) matrix. For this purpose, by performing a parametric study and using the nonlinear finite element method, the impact of geometric characteristics of the fiber end on its bonding behavior with UHPC has been studied. The cohesive zone model investigates the interface between the fibers and the cement matrix. The mechanical properties of the cohesive zone model are determined by calibrating the finite element results and the experimental fiber pull-out test. Also, the results are evaluated with the straight steel fibers outcomes. Using the novel presented fibers, the bond strength has significantly improved compared to the straight steel fibers. The new proposed fibers increase bond strength by 1.1 times for the same diameter of fibers. By creating fillet at the contact area between the rounded end and the fiber, bond strength is significantly improved, the maximum fiber capacity is reachable, and the pull-out occurs in the form of fracture and tearing of the fibers, which is the most desirable bonding mode for fibers. This also improves the energy absorbed by the fibers and is 4.4 times more than the corresponding straight fibers.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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