The reliable stress intensity factor analysis is required for fracture mechanics design or safety evaluation of mechanical joints at which cracks often initiate and grow. It has been reported that cracks in mechanical joints usually nucleate as corner cracks at the faying surface of joints and grow as elliptical arc through cracks. In this paper, three dimensional finite element analyses are performed for elliptical arc through cracks in mechanical joints. Thereafter stress intensity factors along elliptical crack front including two surface points are determined by the virtual crack closure technique. Virtual crack closure technique is a method to calculate stress intensity factor using the finite element analysis and can be applied to non-orthogonal mesh. As a result, the effects of clearance on the stress intensity factor are investigated and crack shape are then predicted.
Mechanical joints such as bolted or riveted joints are widely used in structural components and the reliable determination of the stress intensity factors for corner cracks in mechanical joints is needed to evaluate the safety and fatigue life. This paper analyzes the mixed-mode stress intensity factors of surface and deepest points for quarter elliptical corner cracks in mechanical joints by weight function method and the coefficients included in weight function are determined by finite element analyses for reference loadings. The extended form of the weight function method for two-dimensional mixed-mode to three-dimensional is presented and the number of terms in weight function is determined by comparing the results for the different number of terms. The amount of clearance is an important factor in evaluating the severity of elliptical corner cracks in mechanical joints and even horizontal crack normal to the applied load is under mixed-mode in the case that clearance exists.
The fatigue behaviour of six different hollow section T-joints subjected to out-of-plane bending moment was investigated experimentally using scaled steel models. The joints had circular brace members and rectangular chord members. Hot spot stresses and the stress concentration factors. (SCFs) were determined experimentally. Fatigue testing was carried out under constant amplitude loading in air. The test results have been statistically evaluated, and show that the experimental SCF values for circular-to-rectangular (CHS-to-RHS) hollow section joints were found to be below those of circular-to-circular (CHS-to-CHS) hollow section joints. The fatigue strength, referred to experimental hot spot stress, was in reasonably good agreement with referred fatigue design codes for tubular joints.
일반적인 복합재료 구조물에서 체결부는 가장 취약한 부분이다. 복합재 체결법은 접착 조인트와 기계적 조인트로 크게 나눌 수 있으나, 환경조건에 덜 민감한 부분에는 주로 기계적 조인트가 많이 사용되고 있다. 본 논문에서는 5가지의 적층각 변화를 가지는 복합재료 기계적 조인트의 파손하중을 실험하고 예측하였다. 기계적 조인트에 대한 유한요소 해석을 수행하고 Tsai-Wu와 Yamada-Sun 파손이론을 이용하여 파괴면적지수법(FAI)으로 파손강도를 예측하였으며, 이를 실험 결과와 상호 비교하였다. 실험과 해석결과, 복합재 기계적 체결부는 0도 층의 비율이 낮을수록 파손하중이 저하되었으며, 파괴면적지수법과 Yamada-Sun 파손식으로 13.03% 오차범위 내에서 파손하중을 예측할 수 있었다.
There are various methods to join mechanical structures together. They typically include welding, mechanical joints by bolts and other processes depending on specific needs. Analyses of joints in the mechanical structures are essential in understanding the dynamic characteristics of the structures. In this research an impulse technique is applies to investigate the dynamic behavior of joints produced by bolts. The length overlap in the joints was varied as the number of the bolts in the joins was changed. Also, the torque applied to the bolts were adjusted. Resonance frequencies were determined for the joints to evaluate the relationship between the increase in the applied torque and the increase in the number of bolts used in the joints. The results have demonstrated that the resonance frequencies of the joints increase with the increasing torque.
Adhesive-bonded joints are widely used in the industry. Recently, applications of adhesive bonding joints have been increased extensively in automobile and aircraft industry. The strength of adhesive joints is influenced by the surface roughness, adhesive shape, stress distribution, and etc. However, the magnitude of the influence has not yet been clarified because of the complexity of the phenomena. In this study, as the fundamental research of adhesive bonding joints, the effects of adhesive shape and loading speed on bonding strength properties and durability of aluminum to polycarbonate single-lap joints were studied. To evaluate the effect of adhesive shape, several modified shapes were used, and loading speeds were varied from 0.05 to 5mm/min. As a result, the load distribution showed a brittle fracture tendency. The trigonal edged single lap and bevelled lap joints showed the higher strength than the plain single lap, trigonal single lap, joggle lap and double lap joints in same adhesive area. The fractures of trigonal single lap and trigonal edged single lap joints that had the higher strength level were shown as the mixture type of the cohesive and interfacial-failure, mostly joggle lap joints that had the lower strength level were shown as the adhesive-failure.
In this paper, the effects of the adhesive thickness and adherend roughness on the static and fatigue strengths of the adhesively bonded circular single lap joints has been investigated by an experimental method. The stacking sequence effect of the composite adherend on the static and fatigue strength and the fracture patterns of the adhesive failure were also observed. Since the circular single lap joint fails catastrophically beyond the static strength of fatigue limit, the tubular polygonal adhesively bonded joints such as triangular, tetragonal, pentagonal, hexagonal as well as elliptical joints were manufactured in order to give partial mechanical characteristics to the adhesively bonded tubular joints. These joints were tested both in static and fatigue modes. From the experimental investigations, it was found that the fatigue strength of the circular adhesively bonded joints was much dependent on the arithmetical average surface roughness of the adherends and the polygonal adhesively bonded joints had better fatigue strength characteristics than the circular adhesively bonded joints.
Butt-joints of A6061-T6 and AZ31 plates were successfully manufactured by using a friction stir welding method. Off-set free joints and off-set joints were fabricated to investigate the effect of the tool plunge position on the mechanical properties of the joints. Hardness test, tensile test and charpy impact test was performed to evaluate the mechanical properties of the joints. Off-set condition resulted in increase of mechanical properties of the joints. The variation of the hardness distribution in the SZ was also stabilized in the off-set condition. Tensile strength of the off-set joint was about 85% against to that of the AZ31 base metal. Impact absorption energy by Charpy-Impact-Test of the off-set joint also increased by almost 2 times against to that of the AZ31 base metal.
The bonding characteristics of MLCCs (multi layer ceramic capacitor, C1608) lead-free solder (SAC305) joints were evaluated through thermal shock test ($-40^{\circ}C{\sim}125^{\circ}C$, total 1,800 cycle). After the test, IMCs( intermetallic compounds) growth and cracks were verified, also shear strengths were measured for degradation of solder joints. In addition, The thermal stress distributions at solder joints were analyzed to compare the solder joints changes before and after according to thermal shock test by FEA (finite elements analysis). We considered the effects of IMCs growth at solder joints. As results, the bonding characteristics degradation was occurred according to initial crack, crack propagations and thermal stress concentration at solder-IMCs interface, when the IMCs grown to solder inside.
For shield TBM (Tunnel Boring Machine) tunnel lining, the segment joint is the most critical component for determining the mechanical response of the complete lining ring. To investigate the mechanical behavior of the segment joint in a water conveyance tunnel, which is different from the vehicle tunnel because of the external loads and the high internal water pressure during the tunnel's service life, full-scale joint tests were conducted. The main advantage of the joint tests over previous ones was the definiteness of the loads applied to the joints using a unique testing facility and the acquisition of the mechanical behavior of actual joints. Furthermore, based on the test results and the theoretical analysis, a mechanical model of segment joints has been proposed, which consists of all important influencing factors, including the elastic-plastic behavior of concrete, the pre-tightening force of the bolts and the deformations of all joint components, i.e., concrete blocks, bolts and cast iron panels. Finally, the proposed mechanical model of segment joints has been verified by the aforementioned full-scale joint tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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