Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.2
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pp.239-246
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2003
This paper proposes engineering estimation equations of elastic-plastic J and COD fur axial through-wall cracked pipes under internal pressure. Based on detailed 3-D FE results based on deformation plasticity, the plastic influence functions for fully plastic J and COD solutions are tabulated as a function of the mean radius-to-thickness ratio, the normalized crack length. and the strain hardening. Based on these results, the GE/EPRI-type J and COD estimation equations are proposed and validated against the 3-D FE results based on deformation plasticity. For more general application to general stress-strain laws or to complex loading, the developed GE/EPRI-type solutions are re-formulated based on the reference stress concept. Such a reformulation provides simpler equations for J and COD, which are then further extended to combined internal pressure and bending. The proposed reference stress based J and COD estimation equations are compared with elastic-plastic 3-D FE results using actual stress-strain data for Type 316 stainless steels. The FE results for both internal pressure cases and combined internal pressure and bending cases compare very well with the proposed J and COD estimations.
Zarandi, Somayeh Bagherinejad;Lai, Hsiang-Wei;Wang, Yun-Che;Aizikovich, Sergey M.
Coupled systems mechanics
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v.8
no.3
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pp.273-287
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2019
Elastoplastic analysis of an annular disc, being fully constrained on its outer rim and interacting with a purely elastic inclusion perfectly bonded with its inner rim, is conducted to study its plastic deformation and residual stress under thermal cycles. The system is termed the composite disc. Quasi-static plane-strain deformation is assumed, and the von Mises yield criterion with or without the Ludwik hardening rule is adopted in our finite element calculations. Effects of multiple material properties simultaneously being temperature dependent on the plastic behavior of the composite disc are considered. Residual stress is analyzed from a complete loading and unloading cycle. Results are discussed for various inclusion radii. It is found that when temperature dependent material properties are considered, the maximum residual stress may be greater than the maximum stress inside the disc at the temperature-loaded state due to lower temperature having larger yield stress. Temperature independent material properties overestimate stresses inside materials, as well as the elastic irreversible temperature and plastic collapse temperature.
Metallic annular discs with their outer boundary fully constrained are studied with newly derived semi-analytical solutions for the effects of thickness variations under thermal loading and unloading. The plane stress and axisymmetric assumptions were adopted, and the thickness of the disk depends on the radius hyperbolically with an exponent n. Furthermore, it is assumed that the stress state is two dimensional and temperature is uniform in the domain. The solutions include the elastic, elastic-plastic and plastic-collapse behavior, depending on the values of temperature. The von Mises type yield criterion is adopted in this work. The material properties, Young's modulus, yield stress and thermal expansion coefficient, are assumed temperature dependent, while the Poisson's ratio is assumed to be temperature independent. It is found that for any n values, if the normalized hole radius a greater than 0.6, the normalized temperature difference between the elastically reversible temperature and plastic collapse temperature is a monotonically decreasing function of inner radius. For small holes, the n values have strong effects on the normalized temperature difference. Furthermore, it is shown that thickness variations may have stronger effects on the strain distributions when temperature-dependent material properties are considered.
It is important to understand the characteristics of material strength and fracture under the dynamic loading like as earthquakes to assure the integrity of welded structures. The characteristics of dynamic strength and fracture in structural steels and their welded joints should be evaluated based on the effects of the strain rate and the service temperature. It is difficult to predict or measure temperature rise history with the corresponding stress-strain behavior. In particular, material behaviors beyond the uniform elongation can not be precisely evaluated, though the behavior at large strain region after the maximum loading point is much important for the evaluation of fracture. In this paper, the coupling phenomena of temperature and stress-strain fields under the dynamic loading was simulated by using the finite element method. The modified rate-temperature parameter was defined by accounting for the effect of temperature rise under the dynamic deformation, and it was applied to the fully-coupled analysis between heat conduction and thermal elastic-plastic behavior. Temperature rise and stress-strain behavior including complicated phenomena were studies after the maximum loading point in structural steels and their undermatched joints and compared with the measured values.
The development of breast implant technology continues to evolve over time, but changes in breast shape after implantation have not been fully elucidated. Thus, we performed computerized finite element analysis in order to better understand the trajectory of changes and stress variation after breast implantation. The finite element analysis of changes in breast shape involved two components: a static analysis of the position where the implant is inserted, and a dynamic analysis of the downward pressure applied in the direction of gravity during physical activity. Through this finite element analysis, in terms of extrinsic changes, it was found that the dimensions of the breast implant and the position of the top-point did not directly correspond to the trajectory of changes in the breast after implantation. In addition, in terms of internal changes, static and dynamic analysis showed that implants with a lower top-point led to an increased amount of stress applied to the lower thorax. The maximum stress values were 1.6 to 2 times larger in the dynamic analysis than in the static analysis. This finding has important implications for plastic surgeons who are concerned with long-term changes or side effects, such as bottoming-out, after anatomic implant placement.
Elastic-plastic stress analysis has been performed to evaluate the fatigue life of an autofrettaged pressure vessel containing cross-bores subjected to pulsating internal pressure of 200 MPa. Finite element analyses were used to calculate the residual and operating stress distributions of the pressure vessel due to the autofrettage process and pulsating internal pressure, respectively. Theoretical stress concentration factors of 3.06, 2.58, and 2.64 were obtained at the cross-bore of the pressure vessel due to internal pressure, 50%, and 100% autofrettage loadings, respectively. Local stresses and local strains determined from the elastic-plastic finite element analysis were employed to calculate the failure location and fatigue life of the pressure vessel with radial cross-bores, incorporating the low-cycle fatigue properties of the pressure vessel steel and fatigue damage parameters. Increase in the amount of overstrain by autofrettage process moved the crack initiation location from the inner radius toward a mid-wall, and extended the crack initiation life. Predicted fatigue life of the fully autofrettaged pressure vessel with cross-bores increased about 50%, compared to the unautofrettaged pressure vessel. At the autofrettage level higher than 50%, the failure location and fatigue life of the pressure vessel were not significantly influenced by the autofrettage level.
This paper addresses a viscoplastic constitutive model that allows a consistent way of modeling positive and negative rate sensitivities of flow stress concerned with dynamic strain aging. Based on the concept of continuum mechanics, a phenomenological constitutive model includes the use of a yield surface within the framework of unified viscoplasticity theory. To model negative rate sensitivity, rate-dependent back stress is introduced and flow stress in fully developed inelastic deformation regime is thus decomposed into the plastic contribution of rate independency and the viscous one of rate dependency.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.6
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pp.1099-1106
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2002
This paper provides engineering J-integral and crack opening displacement (COD) estimation equations for circumferential through-wall cracked pipes under internal pressure and under combined internal pressure and bending. Based on selected 3-D finite element calculations for the circumferential through-wall cracked pipes under internal pressure using the idealized power law materials, the elastic and plastic influence functions for fully plastic J-integral and COD solutions are found as a function of the normalized crack length and the mean radius-to-thickness ratio. These developed GE/EPRI-type solutions are then re-formulated based on the enhanced reference stress method. Such re-formulation not only provides simpler equations for J-integral and COD estimations, but also can be easily extended to combined internal pressure and bending. The proposed equations are compared with elastic-plastic finite element results using actual stress-strain data, which shows overall excellent agreement.
Several damages due to large displacement caused by liquefaction have been reported increasingly. Numerical procedures based on effective stress analysis are therefore necessary to predict liquefaction-induced deformation. In this paper, the fully coupled effective stress model called UBCSAND is proposed to simulate pore pressure rise due to earthquake or repeated loadings. The proposed model is a modification of the simple perfect elasto-plactic Mohr-Coulomb model, and can simulate a continuous yielding by mobilizing friction and dilation angles below failure state. Yield function is defined as the ratio of shear stress to mean normal stress. It is radial lines on stress space and has the same shape of Mohr-Columob failure envelope. Plastic hardening is based on an isotropic and kinematic hardening rule. The proposed model always causes plastic deformation during loading and reloading but it predicts elastic unloading. It is verified by capturing direct simple shear tests on loose Fraser River sand.
The axial stress in rock bolt, the shear stress at the bolt-grout interface and the neutral point are analyzed to understand the mechanical behavior of rook bolt. To analyze the support effects of rock bolt in various geological conditions, numerical analyses are performed with regard to bolt spacing and bolt length in several geological conditions and tunnel sizes. Through the numerical analyses, the distributions of maximum tensile stress and shear stress are determined. And the excavation width of underground opening affects the position of the neutral point. In the circular opening supported by pattern bolting, the increase of confining pressure, the reduction of plastic zone, and that of ground displacement are determined by using the radial stress increase ratio, the plastic zone reduction ratio and the displacement reduction ratio respectively. The results of this study can be applied to a practical tunnel design through understanding of the trends of these support effects.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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