An elastic-viscoplastic finite element analysis is performed to investigate detailed growth behavior of creep cracks and the numerical results are compared with experimental results. In Cr-Mo steel stress fields obtained from the crack growth method by mesh translation were compared with both cases that the secondary creep rate is only used as creep material property and the primary creep rate is included. Analytical stress fields, Riedel-Rice(RR) field, Hart-Hui-Riedel(HR) field and Prime(named in here) field, and the results obtained by numerical method were evaluated in details. Time vs. stress at crack tip was showed and crack tip stress fields were plotted. These results were compared with analytical stress fields. There is no difference of stress distribution at remote region between the case of 1st creep rate+2nd creep rate and the case of 2nd creep rate only. In case of slow velocity of crack growth, the effect of 1st creep rate is larger than the one of fast crack growth rate. Stress fields at crack tip region we, in order, Prime field, HR field and RR field from crack tip.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제30권4호
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pp.494-504
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2006
It is well known that the two-parameter $J-A_2$ solution can well characterize the crack-tip fields and quantify the crack-tip constraint for different flawed geometries in variety of loading conditions. However, this solution fails to do so for bending dominated specimens or geometries at large deformation because of the influence of significant global bending stress on the crack-tip field. To solve this issue, a modified $J-A_2$ solution is developed in this paper by introducing an additional term to address the global bending influence. Using the $J_2$ flow theory of plasticity and within the small-strain framework detailed finite element analyses are carried out for the single edge notched bend (SENB) specimen with a deep crack in A533B steel at different deformation levels ranging from small-scale Yielding to large-scale Yielding conditions. The numerical results of the crack-tip stress field are then compared with those determined from the $J-A_2$ solution and from the modified $J-A_2$ solution at the same level of applied loading Results indicate that the modified $J-A_2$ solution largely improves the $J-A_2$ solution, and match very well with the numerical results in the region of interest at all deformation levels. Therefore, the proposed solution can effectively describe the crack-tip field and the constraint for bending dominated specimens or geometries.
The propagating crack problems under dynamic plane mode in orthotropic material is studied in this paper. To analyze the dynamic fracture problems in orthortropic material, it is important to know the dynamic stress components and dynamic displacement components around the crack tip. Therefore the dynamic stress components of dynamic stress field and dynamic displacement components of dynamic displacement field in the crack tip of orthotropic material under the dynamic load and the steady state in crack propagation were derived. When the crack propagation speed approachs to zero, the dynamic stress component and dynamic displacement components derived in this study are identical to the those of static state. In addition, the relationships between dynamic stress intensity factor and dynamic energy release rate are determinded by using the concept of crack closure closure energy with the dynamic stresses and represented according to physical properties of the orthotrophic material and crack speeds. The faster the crack velocity, the greater the stress value of stress components in crack tip. The stress value of the stress component of crack tip is greater when fiber direction coincides with the crack propagation than when fider direction is normal to the crack propagation.
This paper describes an experimental and numerical study on growing ductile crack-tip behaviors. The hybrid experimental and numerical method by means of a computer image processign technique, was applied to the analysis of both base metal and weld metal CT specimens. In the weld metal specimen, the initial crack-tip was placed in front of fusion line, and the crack orientation was perpendicular to it. Finite element analysis of crack growth behaviors in both base and weld matal specimens made of A533B Class 1 steel were also performed to examine the effects of weldment on near crack-tip fields. a series of experimental studies on crack-tip behaviors have clearly shown the qualitative effects of material properties, especially a hardening exponent. The experimental and numerical results have also shown that weldment does not affect displacement and strain fields near a crack-tip while a stress field is influenced by the difference between yield stresses of both base and weld metals.
Generally, photoelastic experimental data were measured in the closed vicinity of crack tip to determine stress intensity factors of a crack with photoelastic experiment method. In this case, only the first order term has been considered in the equation of stress field. But because it is very difficult to measure the correct photoelastic data in the closed vicinity of crack, the accuracy of experimental results was very poor. By including the high order terms in the stress field equation we could obtain the accurate S.I.F values by using clear photoelastic data in the distant region from crack tip instead of unclear photoelastic data in the vicinity of crack tip.
In this paper, a mixed-mode cohesive law for an interface crack between epoxy and TR (transparent thermoplastic) resin is inversely estimated by the field projection method using numerical solutions and experimentally measured displacements. Displacements in a region far away from the crack tip are measured by digital image correlation technique. An inverse analysis, the field projection method formulated from the interaction J- and M-integrals with numerical auxiliary fields, is carried out to estimate a mixed-mode cohesive law for an interface crack between dissimilar materials. In the present approach, nonlinear deformations and damage near the crack tip are converted into the relationships of tractions and separations on crack surfaces behind the crack tip. The phase angle of mixed-mode singularities of the interface crack is also obtained from measured displacements in this study.
To investigate the effect of stress wave propagation for crack tip, impact responses of two-dimensional plates with oblique cracks are investigated by a numerical method. In the numerical analysis, the finite element method is used in space domain discretization and the Newmark constant acceleration algorithm is used in time integration. According to the numerical results from the impact response analysis. it is found that the stress fields are bisected at the crack surface and the parts of stress intensity are moved along the crack face. The crack tip stress fields are yaried rapidly. The magnitude of crack tip stress fields are converted to dynamic stress intensity factor. Dynamic sress intensity factor appears when the stress wave has reached at the crack tip and the aspect of change of dynamic stress intensity factor is shown to be the same as the part of the flow of stress intensity.
To investigate the effect of fatigue crack growth due to the surface residual stress, it is measured the residual stress distribution by x-ray diffraction at the crack tip each constant crack growth in the notch specimens, and quantitively assessed the effect of crack closure caused to the distribution of compressive stress at the crack tip from evaluating crack openning stress using the finite element analysis. It is concluded that the degree of the residual stress distribution at the crack tip is decreased with increasing the crack length. From the fact that it is similar to the crack openning stress ratio, it is found that the compressive residual stress distribution and size is related to the crack closure effect and surface residual stress field with propagating crack in the notch specimens depends on the stress intensity factor range at the crack tip.
This paper investigates the effects of T-stress and plastic hardening mismatch on the interfacial crack-tip stress field via finite element analyses. Plane strain elastic-plastic crack-tip fields are modeled with both MBL formulation and a full SEC specimen under pure bending. Modified Prandtl slip line fields illustrate the effects of T-stress on crack-tip constraint in homogeneous material. Compressive T-stress substantially reduces the interfacial crack-tip constraint, but increases the J-contribution by lower hardening material, J$\_$L/. For bimaterials with two elastic-plastic materials, increasing plastic hardening mismatch increases both crack-tip stress constraint in the lower hardening material and J$\_$L/. The fracture toughness for bimaterial joints would consequently be much lower than that of lower hardening homogeneous material. The implication of unbalanced J-integral in bimaterials is also discussed.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제27권4호
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pp.494-502
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2003
The near-tip field of mode-I dynamic cracks steadily propagating in a strain softening material is investigated under plane strain conditions. The material is assumed to be incompressible and its deformation obeys the $J_2$ flow theory of plasticity. A power-law stress-strain relation with strain softening is adopted to account for the damage behavior of materials near the dynamic crack tip. By assuming that the stresses and strain have the same singularity at the crack tip. this paper obtains a fully continuous dynamic crack-tip field in the damage region. Results show that the stress and strain components the same logarithmic singularity of (In(R/r))$\delta$, and the angular variations of filed quantities are identical to those corresponding to the dynamic cracks in the elastic-perfectly plastic material.
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