In order to consider the concept of the fitness for purpose'in fatigue design of offshore structure, fracture mechanics is applied to evaluate initial or weld defects. Generally, linear elastic fracture mechanics has been applied to tstimate initial fatigue crack propagation rate as well as long fatigue crack propagation rate. But, initial fatigue crack propagation rate in elasto-plastic notch field may not be characterized by application of stress intensity factor range .DELTA. K, because plastic effect due to stress concentration of notch may contribute to initial crack propagation. Therefore, to introduce the plastic effect into fatigue crack driving force, in this studty, the evaluating method of J-integral range .DELTA. J, was developed by willson was modified for application to notch field. In calculation of .DELTA. J obtained from the modified J-integral, stress gradient and crack closure behavior in the notch field were considered. The initial crack propagation rates in the notch fields of mild steels and high tensile strength steels were correlated to .DELTA. J. As the result, it was cleared that the present .DELTA. J is applicable to charachterize the fatigue crack propagation rates in both the elastic and elasto-plastic notch fields.
The main purpose of this study is to derive a law of fatigue crack growth rate in the region of elastic or elasto-plastic fracture mechanics at elevated temperatures through the application of dimensional analysis. An equation of elasto-plastic fatigue crack growth rate at elevated temperatures appeared a new Arrhenius type equation containing J-integral range and absolute temperature. The elastic or elasto-plastic crack growth rate equation shows a fairly good agreement with the experimental results for Cr-Mo-V rotor steel and Hastelloy-X alloy in the comparatively wide temperature ranges.
Tamayo, Jorge Luis Palomino;Awruch, Armando Miguel
Structural Engineering and Mechanics
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제58권5호
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pp.799-823
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2016
A finite element model for the non-linear dynamic analysis of a reinforced concrete (RC) containment shell of a nuclear power plant subjected to extreme loads such as impact and earthquake is presented in this work. The impact is modeled by using an uncoupled approach in which a load function is applied at the impact zone. The earthquake load is modeled by prescribing ground accelerations at the base of the structure. The nuclear containment is discretized spatially by using 20-node brick finite elements. The concrete in compression is modeled by using a modified $Dr{\ddot{u}}cker$-Prager elasto-plastic constitutive law where strain rate effects are considered. Cracking of concrete is modeled by using a smeared cracking approach where the tension-stiffening effect is included via a strain-softening rule. A model based on fracture mechanics, using the concept of constant fracture energy release, is used to relate the strain softening effect to the element size in order to guaranty mesh independency in the numerical prediction. The reinforcing bars are represented by incorporated membrane elements with a von Mises elasto-plastic law. Two benchmarks are used to verify the numerical implementation of the present model. Results are presented graphically in terms of displacement histories and cracking patterns. Finally, the influence of the shear transfer model used for cracked concrete as well as the effect due to a base slab incorporation in the numerical modeling are analyzed.
A two dimensional elasto-plastic finite element program taking into account contact between crack surfaces if developed in order to analyze subsurface cracking in rolling contact. But the friction between upper and lower surface of the crack is not considered. Under the assumptions of small deformation and small displacement, the incremental theory of plasticity is used to describe plastic deformation. J-integral is computed as the applied Hertzian load slides over the surface with friction. J-integral is correlated with wear rate of the rail. The propagation rate of the right tip of the surface crack is fast by 45% than that of the left side.
The paper presents quasi-static plane strain FE-simulations of strain localization in reinforced concrete beams without stirrups. The material was modeled with two different isotropic continuum crack models: an elasto-plastic and a damage one. In case of elasto-plasticity, linear Drucker-Prager criterion with a non-associated flow rule was defined in the compressive regime and a Rankine criterion with an associated flow rule was adopted in the tensile regime. In the case of a damage model, the degradation of the material due to micro-cracking was described with a single scalar damage parameter. To ensure the mesh-independence and to capture size effects, both criteria were enhanced in a softening regime by nonlocal terms. Thus, a characteristic length of micro-structure was included. The effect of a characteristic length, reinforcement ratio, bond-slip stiffness, fracture energy and beam size on strain localization was investigated. The numerical results with reinforced concrete beams were quantitatively compared with corresponding laboratory tests by Walraven (1978).
The integrity of laser welded structures is decided with fracture strength and fatigue strength. This study presents fracture behavior considering residual stress in the laser welding. Experiments are conducted and analyses are performed to explore the influence of residual stress on fracture behavior of bead-on laser welded compact specimen. Fracture experiments are performed using ASTM 1820. The performed analyses included thermo-elasto-plastic analyses for residual stress and subsequent J-integral calculation. A modified J integral is calculated in the presence of residual stresses. The J-integral is path-independent for combination of residual stress field and stress due to mechanical loading. The results indicates that the tensile residual stress near crack front bring the low fracture load while the compressive residual stress bring the high fracture load compared to no residual stress specimen. These results quantitatively understand the influence of residual stress on fracture behavior.
The fatigue crack propagation tests were performed in triangular and holding-time stress waveforms at $650^{\circ}C$. The behavior of fatigue crack propagation was investigated according to waveform. The analysis of high temperature fatigue crack propagation by the stress intensity factor range ${\Delta}K$, elastic fracture mechanics parameter, was not available. The behaviors of high temperature fatigue crack propagation by the J-integral(${\Delta}J_f$, J' and ${\Delta}J_c$), elasto-plastic fracture mechanics parameter, were investigated in a number of stress waveforms. The fast-fast waveform exhibited cycle-dependent(fatigue type), the slow-fast and the hold time with 500sec waveforms appear to be time-dependent(creep type) and the fast-slow and the hold time with 5, 25sec waveforms exhibited conbined behavior of both types(fatigue-creep conbined type).
Once assessment of material failure characteristics is captured precisely in a unified way, it can bedirectly incorporated into the structural failure assessment under various loading environments, based on the theoretical backgrounds so called Local Approach to Fracture. The aim of this study is to develop a numerical fatigue test method by continuum damage mechanics applicable for the assessment of structural integrity throughout crack initiation and structural failure based on the Local Approach to Fracture. The generalized elasto-visco-plastic constitutive equation, which can consider the internal damage evolution behavior, is developed and employed in the 3-D FEA code in order to numerically evaluate the material and/or structural responses. Explicit information of the relationships between the mechanical properties and material constants, which are required for the mechanical constitutive and damage evolution equations for each material, are implemented in numerical fatigue test method. The material constants selected from constitutive equations are used directly in the failure assessment of material and/or structures. The performance of the developed system has been evaluated with assessing the S-N diagram of stainless steel materials.
균열면을 제어하는 발파방법의 하나로서 노치성형 발파공을 이용한 방법의 균열발생 특성을 2차원 및 3차원 유한요소 해석방법을 이용하여 고찰하였다. 균열제어를 위한 모델로는 노치가 성형된 발파공과 일반적인 원형 발파공을 대상으로 하였으며, 발파 압력에 대한 암반의 동적 반응, 탄성 및 소성 변형의 발생 특성, 그리고 이로 인한 발파 균열의 성장 전파 특성을 분석하여, 균열의 능동적 제어와 보다 효율적인 발파가 이루어 질 수 잇는 조건들을 규명하고자 하였다. 해석 결과 일반 발파공의 정하중 탄성 모델의 경우 공반경의 약 3배인 6cm 까지 집중된 응력의 크기가 파괴강도를 초과하는 것으로 나타났으며 탄소성 모델의 경우 균열이 전파거리는 공반경의 145배인 30cm 가지 확장되었다. 또한 폭 5mm 길이 30 mm 의 노치가 가공된 발파공의 경우 정하중하에서 공반경의 23배인 46cm 까지 균열이 진전되었으며, 균열의 방향은 노치 첨단의 방향으로 생성되는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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