The finite element analysis was performed for the cracks existing in residual stress fields in order to investigate the effects of configuration of residual stress distribution to the fatigue crack opening behaviour. And the variation of stress distributions adjacent to the crack caused by uploading was examined. The finite element model with contact elements for the crack plane and plane stress elements for the base material and the analytical method based on the superposition principle to estimate crack opening behaviour and the stress distribution adjacent to the crack subjected to uploading were used. The results of the analysis showed that crack opening behaviors and variations of stress distribution caused by uploading were changed depending on the configuration of residual stress distribution. When the crack existed in the region of compressive residual stress and the configuration of compressive residual stress distribution were inclined, a partial crack opening just behind of a crack tip occurred during uploading. Based on the above results, it was clarified that the crack opening behaviour in the residual stress field could be predicted accurately by the finite element analysis using these analytical method and model.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.29
no.6
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pp.557-562
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2009
Abrupt change of cross-section in mechanical parts is one of significant causes of structural fracture. In this paper, a hybrid method is employed to analyze the stress distribution of a discontinuous plate. The plate with an inclined crack is utilized in our experiment and the stress field in the vicinity of crack tip is calculated through isochromatic fringe order of given points. This calculation can be made handy through least-squares method integrated with complex power series representation(Laurent series) implemented on a computer program for high-speed processing. In order to accurately compare calculated results with experimental ones, both of actual and regenerated photoelastic fringe patterns are doubled and sharpened by digital image processing. The experiment results show that regenerated patterns obtained by hybrid method are quite comparable to actual patterns.
Finite element analysis(FEA) is the most popular numerical method to simulate plasticity-induced fatigue crack closure and can predict fatigue crack closure behavior. Finite element analysis under plane stress state using 4-node isoparametric elements is performed to investigate the detailed closure behavior of fatigue cracks and the numerical results are compared with experimental results. The mesh of constant size elements on the crack surface can not correctly predict the opening level for fatigue crack as shown in the previous works. The crack opening behavior for the size mesh with a linear change shows almost flat stress level after a crack tip has passed by the monotonic plastic zone. The prediction of crack opening level presents a good agreement with published experimental data regardless of stress ratios, which are using the mesh of the elements that are in proportion to the reversed plastic zone size considering the opening stress intensity factors. Numerical interpolation results of finite element analysis can precisely predict the crack opening level. This method shows a good agreement with the experimental data regardless of the stress ratios and kinds of materials.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.7
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pp.851-858
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2010
A generalized elastic solution for a transient mode III crack propagating along the gradient in functionally graded materials (FGMs) is obtained through an asymptotic analysis. The shear modulus and density of the FGMs are assumed to vary exponentially along the gradient. The stress and displacement fields near the crack tip are obtained in terms of powers of radial coordinates, and the coefficients depend on the time rates of the change of the crack tip speed and stress intensity factors. The influence of nonhomogeneity and transients on the higher order terms of the stress and displacement fields is discussed.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1991.10a
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pp.133-138
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1991
The aim of the present paper is to develop a computer program predicting ultimate fracture strength of initially cracked structure under monotonically increasing external loads. For this purpose, two kinds of 3-D isoparametric solid elements, one 6-node wedge element and another 8-node brick element are formulated along the small deformation theory. Plasticity in the element is checked using von Mises' yield criterion. Elasto-plastic stiffness matrix of the element is calculated taking account of strain hardening effect. If the principal strain at crack tip which is one nodal point exceeds the critical strain dependin on the material property, crack tip is supposed to be opened and the crack tip node which was previously constrained in the direction perpendicular to the crack line is released. After that, the crack lay be propagated to the adjacent node. Once a crack tip node is fractured, the energy of the newly fractured node should be released which is to be absorbed by the remaining part. The accumulated reaction force which was carried by the newly fractured node so far is then applied in the opposite direction. During the action of crack tip relief force, since unloading may be occured in the plastic element, unloading check should be made. If a plastic element unloads, elastic stress-strain equation is used in the calculation of the stiffness matrix of the element, while for a loading element, elasto-plastic stress-strain equation is continuously used. Verification of the computer program is made comparing with the experimental results for center cracked panel subjected to uniform tensile load. Also some factors affecting ultimate fracture strength of initially cracked plate are investigated. It is concluded that the computer program developed here gives an accurate solution and becomes useful tool for predicting ultimate fracture load of initially cracked structural system under monotonically increasing external loads.
The problem of predicting the fracture strength behavior in orthotropic plate with a crack inclined with respect to the principal material axes is analyzed. Both the load to cause fracture and the crack direction of crack growth arc of interest. The theoretical results based on the normal stress ration theory show significant effects of biaxial loading and the fiber orientation on the crack growth angle and the critical stress. The additional term in the asymptotic expansion of the crack tip stress field appears to provide more accurate critical stress prediction.
Finite element method was utilized to analyze crack tip stress and displacement field under drying stress case as stepwise loading. Opening mode of single-edge-notched model was employed and analyzed by linear elastic fracture mechanics of plane stress case. The drying stresses were applied as stepwise loads at the boundary elements of the model with 10 steps of time serial. The stress intensity factor($K_I$) for opening mode reached to its maximum just prior to the stress reversal. The $K_I$ from the displacement fields revealed 1.7 times higher than those from stress fields. By comparing the two sets of $K_I$ from displacement and stress fields, single parameter $K_I$ showed its validity to characterize displacement fields around the crack tip front while stress field could not be characterized due to large variations between two sets of data.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2000.11a
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pp.539-542
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2000
In this paper, the influence of circular void on a crack in piezoelectric materials under mechanical and electric loads is investigated by using finite element method code, ANSYS. Both ceramics and piezoelectric materials are compared with stress intensity factor and crack extension force at crack tip on arbitrary located circular void under Mode I loads. It was found that piezoelectric materials's crack extension force is larger than ceramics.
In this study, the purpose is to investigate the influence of initial residual stresses on the fatigue crack growth behaviors after the distribution of initial residual stresses Is measured when the crack is growing from the compressive residual stresses field to the tensile residual stress field. Also, the Influence of the variation of residual stress distribution on the fatigue crack growth behaviors at the crack tip is studied when the initial crack li applied on base metal, weld metal and HAZ respectively.
The crack under the influence of the higher intensities of the stresses grows and the structure gets collapsed with the time when the crack length reaches to critical value. Therefore, the fracture behavior of a structure in terms of stress intensity factors (SIF) becomes important to determine the remaining fracture strength and capacity of material and structure for avoiding catastrophic failure, increasing safety and further improvement in the design. The robustness of the method has been demonstrated by comparing the numerical results with analytical and experimental results of some problems. XFEM is used to model cracks and holes in structures and predict their strength and reliability under service conditions. Further, XFEM is extended with a stochastic method for predicting the sensitivity in terms of output COVs and fracture strength in terms of mean values of stress intensity factors (SIFs) of a structure with discontinuities (cracks and holes) under tensile loading condition with input individual and combined randomness in different system parameters. In stochastic technique, the second order perturbation technique (SOPT) has been used for the predicting the fracture behavior of the structures. The stochastic/perturbation technique is also known as Taylor series expansion method and it provides the reliable results if the input randomness is less than twenty percentage. From the present numerical analysis it is observed that, the crack tip near to the hole is under the influence of the stress concentration and the variational effect of the input random parameters on the crack tip in terms of the SIFs are lesser so the COVs are the less sensitive. The COVs of mixed mode SIFs are the most sensitive for the crack angles (α=45° to 90°) for all the values of c1 and d1. The plate with the shorter distance between hole and crack is the most sensitive with all the crack angles but the crack tip which is much nearer to the hole has the highest sensitivity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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