Adhesive bonding has seen rapid development in recent years, with emphasis to composite patch repairing processes of geometric defects in aeronautical structures. However, its use is still limited given its low resistance to climatic conditions and requirement of specialized labor to avoid fabrication induced defects, such as air bubbles, cracks, and cavities. This work aims to numerically analyze, by the finite element method, the failure behavior of a damaged plate, in the form of a bonding defect, and repaired by an adhesively bonded composite patch. The position and size of the defect were studied. The results of the numerical analysis clearly showed that the position of the defect in the adhesive layer has a large effect on the value of J-Integral. The reduction in the value of J-Integral is also related to the composite stacking sequence which, according to the mechanical properties of the ply, provides better load transfer from the plate to the repair piece through the adhesive. In addition, the increase in the applied load significantly affects the value of the J-Integral at the crack tip in the presence of a bonding defect, even for small dimensions, by reducing the load transfer.
Failure of basic structures material is usually accompanied by expansion of interior cracks due to stress concentration at the cracks tip. This phenomenon shows the importance of examination of the failure behavior of concrete structures. To this end, 4 types of mortar samples with different amounts of nano-silica (0%, 0.5%, 1%, and 1.5%) were made to prepare twelve $50{\times}50{\times}50mm$ cubic samples. The goal of this study was to describe the failure and micro-crack growth behavior of the cement mortars in presence of nano-silica particles and control mortars during different curing days. Failure of mortar samples under compressive strength were sensed with acoustic emission technique (AET) at different curing days. It was concluded that the addition of nano-silica particles could modify failure and micro-crack growth behavior of mortar samples. Also, monitoring of acoustic emission parameters exposed differences in failure behavior due to the addition of the nanoparticles. Mortar samples of nano-silica particles revealed stronger shear mode characteristics than those without nanoparticles, which revealed high acoustic activity due to heterogeneous matrix. It is worth mentioning that the highest compressive strength for 3 and 7 test ages obtained from samples with the addition of 1.5% nano-silica particles. On the other hand maximum compressive strength of 28 curing days obtained from samples with 1% combination of nano-silica particles.
The objective of this study is to develop polymer-impregnated concrete(PIC), which is a newly developed composite material made by impregnating polymer impregnanls into hardened normal concrete, and to develop analytical techniques for its proper applications. Crystalline methyl methacrylate(MMA) is chosen as a monomer of polymer impregnants. The corrlpositions of polymer impregnants and producing processes are developed by analyzing the effects of penetration, polymerization, thermal safety, and strengthening characteristics. On t he basis of experimental results of this study, various strength characteristics and stress strain constitutive relations are formulated in terms of the compressive strength of normal concrete and the polymer loadings, which can be applied for analysis and design of PIC members. In order to provide a model for fracture analysis of flexural members, fracture toughness, fracture energy, critical crack width, and tension softening relations near crack tip are also formulated in terms of member depth, initial notch depth, and the flexural strength of normal concrete. The structural analysis procedure and the finite element computer program developed in the study are applicable to evaluate elastic behavior, ultimate strength, and tension softening behavior of MMA type PIC structural members subject to various loading conditions. The accuracy and effectiveness of the developed computer program is examined by comparing the anal ytical results with the experimental results. Therefore, it is concluded that the developed structural analysis procedure and the finite element computer program are applicable to analysis and design of in-situ and precast PIC structural members.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.2
no.3
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pp.1-13
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1982
Transition process of plastic region. displacements, stresses and strains ahead the flaw tips were analysed by the finite element method on the steel plate with the circular hole and the one with the elliptical hole under completely alternating load (repetition of tensile loading, unloading and compressive loading). As the results, the followings were obtained. Transition process of elastic failure (yielding) region was estimated. From this the tendency was confirmed that the fracture would be initiated from ahead the flaw tip, and propagated along the $45^{\circ}$ direction. The fundamental data available in estimating the stress intensity factor that was considered as the core in analysing the fracture mechanism of steel plates were obtained. It was indicated that when unloading after tension the effect of compressive loading, and even the compressive reyield, was occured ahead the flaw tip. Similarly it was indicated that when unloading after compression the effect of tensile loading, and even the tensile reyield, was occured ahead the flaw tip. It was considered that these phenomena were occured because the unloading effect was constrained by the residual strains when unloading. It was considered that the fatigue phenomenon was occured ahead, the flaw tip by repetition of tensile yield, the above compressive reyield, compressive yeild and the above tensile reyield. In addition, the tendency was confirmed that the fracture ahead the flaw tip was occured as the flaw was changed from the circular hole to the elliptical hole and became to be the crack lastly.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.5A
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pp.861-872
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2006
The element free Galerkin method is extended by the local partition of unity method to model the cohesive cracks in two dimensional continuum. The shape function of a particle whose domain of influence is completely cut by a crack is enriched by the step enrichment function. If the domain of influence contains a crack tip inside, it is enriched by a branch enrichment function which does not have the LEFM stress singularity. The discrete equations are obtained directly from the standard Galerkin method since the enrichment is only for the displacement field, which satisfies the local partition of unity. Because only particles whose domains of influence are influenced by a crack are enriched, the system matrix is still sparse so that the increase of the computational cost is minimized. The condition for crack growth in dynamic problems is obtained from the material instability; when the acoustic tensor loses the positive definiteness, a cohesive crack is inserted to the point so as to change the continuum to a discontiuum. The crack speed is naturally obtained from the criterion. It is found that this method is more accurate and converges faster than the classical meshless methods which are based on the visibility concept. In this paper, several well-known static and dynamic problems were solved to verify the method.
Slip along a frictional fracture can be approached as initiation and propagation of a mode II crack along its own plane. Fracture mechanics theories predict that under pure mode II loading initiation will occur when the energy release rate of the fracture attains a critical value ($G_{IIC}$), which is generally taken as a material property. For the past few years the rock mechanics group at Purdue University has investigated experimentally the dependence of $G_{IIC}$ on normal stress and on the frictional characteristics of a fracture. A number of experiments has been conducted first on acrylic, a material that, using photoelastic methods, allows visualization of the stress field ahead of the fracture tip; and later on gypsum, a rock model material with relatively low unconfined compression strength. The experimental investigation has been expanded to include other frictional materials with higher unconfined compression strength. Direct shear tests have been conducted on specimens made with cement paste. New observations together with previous experiments indicate that $G_{IIC}$ can only be considered a material property when the peak friction angle of the discontinuity is similar to the residual friction angle; otherwise the critical energy release rate increases with normal stress.
In the applications of rock mechanics or rock engineering including drill and blast, drilling and mechanical excavation, the fracture toughness is an important factor. Several methods have been proposed to measure the fracture toughness of rocks. In this study, wedge splitting test specimen which is prepared with ease and tested under compression loading was used to obtain mode I fracture toughness of rocks. The equation of stress intensity factor through numerical analysis is proposed from the stress state of crack tip considering both vertical and horizontal loads due to the vertical load acting on the wedge. The validity of the wedge splitting test method was confirmed by comparing the mode I fracture toughness values obtained by the GD and SENB test specimens.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.3
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pp.133-140
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2018
This paper is concerned with the 2-D micostructure generation for $Ni-A{\ell}_2O_3$ dual-phase composite materials and the numerical analysis of mechanical characteristic of hierarchical models of microstructure which are defined in terms of the scale of microstructure. The microstructures of dual-phase composite materials were generated by applying the mathematical RMDF(random morphology description functions) technique to a 2-D RVE of composite materials. And, the hierarchical models of microstructure were defined by the number of Gaussian points. Meanwhile, the volume fractions of metal and ceramic particles were set by adjusting the level of RMD functions. The microstructures which were generated by RMDF technique are definitely random even though the total number of Gaussian points is the same. The randomly generated microstructures were applied to a 2-D beam model, and the variation of normal and shear stresses to the scale of microstructure was numerically investigated. In addition, through the crack analyses, the influence of RMDF randomness and Gauss point number on the crack-tip stress is investigated.
In the high-temperature and high-pressure irradiation environments, the multi-field coupling processes of hydrogen diffusion, hydride precipitation and mechanical deformation in Zircaloy cladding tubes occur. To simulate this hydrogen-induced complex behavior, a multi-field coupling method is developed, with the irradiation hardening effects and hydride-precipitation-induced expansion and hardening effects involved in the mechanical constitutive relation. The out-pile tests for a cracked cladding tube after irradiation are simulated, and the numerical results of the multi-fields at different temperatures are obtained and analyzed. The results indicate that: (1) the hydrostatic stress gradient is the fundamental factor to activate the hydrogen-induced multi-field coupling behavior excluding the temperature gradient; (2) in the local crack-tip region, hydrides will precipitate faster at the considered higher temperatures, which can be fundamentally attributed to the sensitivity of TSSP and hydrogen diffusion coefficient to temperature. The mechanism is partly explained for the enlarged velocity values of delayed hydride cracking (DHC) at high temperatures before crack arrest. This work lays a foundation for the future research on DHC.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.11
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pp.2845-2852
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2000
When welding a car frame with one spot welding there are same limitations because many parts of it cannot be simplified by one spot welding alone. It is presented two spot welding model for the description of the spot welding which is usually used in a car frame structure. This study primarily covers fatigue behavior taking spot welded SPCC(Steel plate carbon C) with different ungget intervals as a tension shear specimen. It was prepared that intervals between two nuggets are varied as 9mm, 14mm, and 20mm respectively. The tensile tests and fatigue tests were executed to know the mechanical properties under static and fatigue load condition. In addition, the relationship between fatigue life and nugget intervals was illustrated by finite element method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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