Silicon nitride is one of the most successful engineering ceramics, owing to a favorable combination of properties, including high strength, high hardness, low thermal expansion coefficient, and high fracture toughness. However, the impact damage behavior of $Si_3N_4$ ceramics has not been widely characterized. In this study, sphere and explosive indentations were used to characterize the static and dynamic damage behavior of $Si_3N_4$ ceramics with different microstructures. Three grades of $Si_3N_4$ with different grain size and shape, fine-equiaxed, medium, and coarse-elongated, were prepared. In order to observe the subsurface damaged zone, a bonded-interface technique was adopted. Subsurface damage evolution of the specimens was then characterized extensively using optical and electron microscopy. It was found that the damage response depends strongly on the microstructure of the ceramics, particularly on the glassy grain boundary phase. In the case of static indentation, examination of subsurface damage revealed competition between brittle and ductile damage modes. In contrast to static indentation results, dynamic indentation induces a massive subsurface yield zone that contains severe micro-failures. In this study, it is suggested that the weak glassy grain boundary phase plays an important role in the resistance to dynamic fracture.
The present study investigated, both experimentally and numerically, the improvement of low-velocity impact damage resistance of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) laminates due to through-the-thickness stitching. First, we conducted drop-weight impact tests for stitched and unstitched laminates. The results of damage inspection confirmed that stitching did improve the impact damage resistance, and revealed that the improvement effect became greater as the impact energy increased. Moreover, the stitching affected the through-the-thickness damage distribution. Next, we performed FEM analysis and calculated the energy release rate of the delamination crack using the virtual crack closure technique (VCCT). The numerical results revealed that the stitching affected the through-the-thickness damage distribution because the stitch threads had a marked effect on decreasing both the modes I and II energy release rate around the bottom of the laminate. Comparison of the results for models that contained delaminations of various sizes revealed that the energy release rate became lower as delamination size increased; therefore the stitching improved the impact resistance more effectively when the impact energy was higher.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.7
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pp.727-734
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2014
This paper describes multi-scale based ductile fracture simulation using finite element (FE) damage analysis. The maximum and crack initiation loads of cracked components were predicted using proposed virtual testing method. To apply the local approach criteria for ductile fracture, stress-modified fracture strain model was adopted as the damage criteria with modified calibration technique that only requires tensile and fracture toughness test data. Element-size-dependent critical damage model is also introduced to apply the proposed ductile fracture simulation to large-scale components. The results of the simulation were compared with those of the tests on SA333 Gr. 6 full-scale pipes at $288^{\circ}C$, performed by the Battelle Memorial Institute.
The present pesticide application technology widely used with a power sprayer in Korea is assessed as the problem awaiting solution in the point of view of its ineffectiveness, inefficiency, and environmental contamination. As one approach to get rid of these problems, the boom spraying with ultra-low volume and precision application technology has been recommended. The study was undertaken to investigate plants damages incurred by the self-propelled boom-sprayer vehicle, to develop the design criteria of vehicle wheel, and to compare plant damages caused by the front wheel steering vehicle, the 4-wheel drive vehicle and the articulated vehicle, by the computer simulation. The experiment showed that the amount of damaged plants incurred by the self-propelled boom sprayer were about 0.29% in average in the field size of 100m$\times$50m(0.5ha), about 60~80% of which recovering while growing. The recommandable wheel size was analyzed to be 70~100cm in diameter, 8~15cm in width from the vehicle-plant-soil relationship. The simulation on damaged plants anticipated to be incurred by various steering vehicles showed that the smaller the turning radius, the lesser the damaged plants within its range of 3~5m. Average plant damage rate by the front wheel steering vehicle, the 4-wheel drive vehicle and articulated vehicle was relatively assessed to be 2 : 1.8 : 1.
Recently, there have been reports of severe symptoms of wear in bearings due to foreign substances mixed in lubricants. Therefore, studying the effects of foreign substances (such as combustion products and metallic debris) on the wear characteristics of journal bearings and proposing appropriate management standards for lubricant cleanliness have become necessary. Studies on the effect of particle size and concentration of foreign substances on surface damage have actively progressed in the recent times. These studies indicate the possibility of foreign substances causing direct wear of bearing surfaces. However, experiments conducted until now involve only basic tests such as the Pin-on-Disk test instead of those involving real bearing systems. This study experimentally examines the damage to the surface of a journal bearing due to foreign substances (combustion products and alumina) mixed with the lubricant, as well as the effect of the type and size of particles on its wear characteristics. The study uses an experimental journal bearing similar to a real bearing system for conducting the lubrication test. Hydrodynamic Lubrication (HL) numerical analysis, experiment results, and film parameters are used for calculating the operating conditions required for achieving the desired film thickness, and the results of the analysis are modified for considering the surface roughness. The run-time of the experiment is 10 min including the stabilization process. The experiment results show that alumina particles larger than the minimum film thickness cause significant surface damage.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.4
no.2
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pp.141-150
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2012
Ship damage caused by maritime casualties leads to marine pollution and loss of life and property. To prevent serious damage from maritime casualties, several types of safety regulations are applied in ship design. Damage stability regulation is one of the most important safety issues. Designs of ships for long international voyages must comply with these regulations. Current regulations, however, do not consider the characteristics of the operating route of each ship and reflect only ship size and type of cargo. In this paper, a damage safety assessment was undertaken for a ship carrying radioactive waste in actual wave conditions. Damage cases for safety assessment were constructed on the basis of safety regulations and related research results. Hull form, internal arrangement, loading condition and damage condition were modeled for damage safety simulation. The safety simulation was performed and analyzed for 10 damage cases with various wave heights, frequency and angle of attack on an operating route. Based on evaluation results, a design alternative was generated, and it was also simulated. These results confirmed that damage safety analysis is highly important in the design stage in consideration of the operating route characteristics by simulation. Thus a ship designer can improve safety from damage in this manner.
Marzec, Ireneusz;Skarzynski, Lukasz;Bobinski, Jerzy;Tejchman, Jacek
Computers and Concrete
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v.12
no.5
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pp.585-612
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2013
The paper presents quasi-static numerical simulations of the behaviour of short reinforced concrete beams without shear reinforcement under mixed shear-tension failure using the FEM and four various constitutive continuum models for concrete. First, an isotropic elasto-plastic model with a Drucker-Prager criterion defined in compression and with a Rankine criterion defined in tension was used. Next, an anisotropic smeared crack and isotropic damage model were applied. Finally, an elasto-plastic-damage model was used. To ensure mesh-independent FE results, to describe strain localization in concrete and to capture a deterministic size effect, all models were enhanced in a softening regime by a characteristic length of micro-structure by means of a non-local theory. Bond-slip between concrete and reinforcement was considered. The numerical results were directly compared with the corresponding laboratory tests performed by Walraven and Lehwalter (1994). The advantages and disadvantages of enhanced models to model the reinforced concrete behaviour were outlined.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.6
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pp.1839-1851
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1991
Fatigue crack behavior is studied through the two-level rotary bending test with the deep non-through radial holed notch specimens of low carbon steels(SM22C). The main factors investigated are the effects of the damage zone size around crack tip and phenomena of closing or opening of the crack tip. Obtained results are summarized as follows. Fatigue crack behavior in second level stressing slightly lower than fatigue limit is closely related to the size of damage zone produced by the first level stress higher than fatigue limit and to the phenomena of crack closing and opening for the second level stress. The non-propagating crack limit condition depends upon the crack length l$_{1}$ propagated under the first level stress and the magnitude of second level stress .sigma.$_{2}$ lower than the fatigue limit. The non-propagating crack limit condition is expressed by following eq. $\sigma_2^{6.1}{\times}l_{1}=7.35{\times}10^{6}[(kg_{f}mm^{6.1}(mm)]$
Recently, typhoons or heavy rainfalls frequently occurred because of the effect of global warming, which caused serious damage such as landslide of mountain road, debris flow and uplift seepage pressure. Uplift seepage pressure induced on the pavement of mountain roads may cause serious pavement damage. It was known that subsurface drainage method is very effective to reduce uplift seepage pressure. Suitable permeability and stiffness of drainable base is very important to have the effectiveness of subsurface drainage. In this study, optimum particle size distribution of drainable base is investigate to meet the required permeability and bearing capacity of drainable base.
Kim, JungHoon;Zi, Goangseup;Van, Son-Nguyen;Jeong, MinChul;Kong, JungSik;Kim, Minsung
Structural Engineering and Mechanics
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v.38
no.4
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pp.443-457
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2011
The loss of strength in a structure as a result of cyclic loads over a period of life time is an important phenomenon for the life-cycle analysis. Service loads are accentuated at the areas of stress concentration, mainly at the connection of components. Structural components unavoidably are affected by defects such as surface scratches, surface roughness and weld defects of random sizes, which usually occur during the manufacturing and handling process. These defects are shown to have an important effect on the fatigue life of the structural components by promoting crack initiation sites. The value of equivalent initial flaw size (EIFS) is calculated by using the back extrapolation technique and the Paris law of fatigue crack growth from results of fatigue tests. We try to analyze the effect of EIFS distribution in a multiple site damage (MSD) specimen by using the extended finite element method (XFEM). For the analysis, fatigue tests were conducted on the centrally-cracked specimens and MSD specimens.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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