A FEM-based analytical approach was used to evaluate the multiaxial high cycle fatigue damage of an automotive sub-frame. Elastic Multi Body Simulation (MBS) has been applied in order to determine the multiaxial load histories. The stresses due to these loads have been given by FE computation. These results have been used as the input for the multiaxial fatigue analysis. For the assessment of multiaxial high cycle fatigue damage, the signed von Mises, the signed Tresca, the absolute maximum principal stress and critical plane methods have been employed. In addition, the biaxiality ratio, a$\sub$e/, the absolute maximum principal stress, $\sigma$$\sub$p/ and the angle, $\phi$$\sub$P/, between $\sigma$$\sub$1/ and the local x-axis, have been calculated to evaluate the stress state at each node.
Ratcheting behavior of IN 718 was investigated at $649^{\circ}C$ under various proportional and non-proportional loading conditions with stress control. The material response was initially elastic but substantial plastic strain was developed as the material softened cyclically. Ratcheting strain was measured to near fatigue life, and is found to have three stages of development - primary, secondary (steady-state) and tertiary. The secondary stage dominates for most cases. Under the same equivalent stress amplitude and mean stress, it was revealed that circular path loading gives higher ratcheting rates and shorter lives than linear paths and that the more ratcheting occurs when the cyclic load is in the same direction as the mean stress. The ratcheting strain at failure depends not only on its rate but also on fatigue life itself, and it is not a primary life-determining factor.
The fatigue behavior of welded open rib-to crossbeam joints (ORCJ) in orthotropic bridge structures is investigated using a traction structural stress method. The fatigue behaviors of welded open rib-to crossbeam joints have been a subject of study for decades for ensuring operational safety and future design improvement. A mesh-insensitive combination of traction structural stresses in ORCJ was obtained considering the effect of in-plane shear stress and validated by fatigue test results. The proposed method is advantageous for predicting fatigue cracks that initiate from the crossbeam cutout and propagate along the crossbeam. The investigations carried out with the proposed approach reveal that the normal structural stress decreases with the propagation of fatigue cracks, while the ratio of shear stress to normal stress increases. The effect of shear structural stress is significant for the analysis of fatigue behavior of ORCJ in multiaxial stress states.
Fatigue crack initiation lives of round cylindrical notch specimen were investigated. Firstly, local strain approximation methods, such as the modified incremental Neuber's rule and the modified incremental Glinka's equivalent strain energy density(ESED) rule, were used to get multiaxial stress and strain state components at the notch tip. Based on the history of local stress and strain, multiaxial fatigue models were used to obtain fatigue crack initiation lives. Because the solution of Neuber's rule and Glinka's ESED rule make the upper and lower bound of local strain approximations, fatigue crack initiation lives are expected to place between life predictions by two local strain approximations. Experimental data were compared with the fatigue crack initiation life prediction results.
In structural applications, brittle materials such as soda-lime glasses and ceramics are usually subjected to multiaxial stress state. Brittle materials with cracks or damage by foreign object impacts are apt to fracture abruptly from cracks, because of their properities of very high strength and low fracture toughness. But in most cases, the residual strength of structural members with damage has been tested under uniaxial stress condition such as the 4-point bend test. Depending upon the crack pattern developed, the strength under multiaxial stress state might be different from the one under uniaxial. A comparative study was carried out to investigate the influence of stress state on the residual strength evaluation. In comparable tests, the residual strength under biaxial stress state by the ball-on-ring test was greater than that under the uniaxial one by the 4-point bend test, when a small size indendation crack was introduced. In the case that crack having an angle of 90deg. to the applied stress direction, the ratio of biaxial to uniaxial flexure strength was about 1.12. The residual strength was different from crack angles to loading direction when it was evaluated by the 4-point bend test. The ratio of residual strength of 45deg. crack to 90deg. one was about 1.20. In the case of specimen cracked by a spherical impact, it was shown that an overall decrease in flexure strength with increasing impact velocity, and the critical impact velocity for formation of a radial and/or cone crack was about 30m/s. In those cases that relatively large cracks were developed as compared with the case of indented cracks, the ratio of residual strength under biaxial stress state to one uniaxial became small.
콘크리트의 크리프에 관한 기존의 연구결과들은 대부분 1축응력이 가해지는 경우에 대한 것으로 콘크리트 구조물 또는 부재가 다축응력 상태에 놓이는 경우에 적용하기가 어려운 점이 있다. 따라서 다축응력 상태의 콘크리트 크리프 특성에 관한 연구가 필요하다. 이 연구에서 다축응력 상태에 놓인 콘크리트의 크리프 특성을 실험을 통해 파악하였다. 세 가지 서로 다른강도를 갖는 배합의 콘크리트에 대해 각각 9개의 실험체를 제작하였으며, 1축, 2축, 3축 응력 상태에서 크리프 실험을 실시하였다. 하중이 가해지는 세 방향에서 시간에 따른 변형률을 측정하였다. 가압시점의 푸아송비와 크리프변형에 기인한 푸아송비 그리고 탄성변형과 크리프변형에 기인한 푸아송비를 구하였으며, 각 콘크리트에 대한 세 가지 푸아송비는 근사적으로 같은 것으로 나타났다. 가압시점의 푸아송비와 전체 변형에 대한 푸아송비는 콘크리트 강도의 증가에 따라 다소 증가하는 경향을 보였으며, 각 푸아송비는 응력상태에 따라 특정한 경향을 나타내지 않았다. 체적성분의 응력과 크리프변형률, 편차성분의 응력과 크리프변형률은 선형의 관계를 나타내었다.
Tarar, Wasim;Herman Shen, M.H.;George, Tommy;Cross, Charles
Structural Engineering and Mechanics
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제35권5호
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pp.571-592
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2010
An energy-based fatigue life prediction framework was previously developed by the authors for prediction of axial, bending and shear fatigue life at various stress ratios. The framework for the prediction of fatigue life via energy analysis was based on a new constitutive law, which states the following: the amount of energy required to fracture a material is constant. In the first part of this study, energy expressions that construct the constitutive law are equated in the form of total strain energy and the distortion energy dissipated in a fatigue cycle. The resulting equation is further evaluated to acquire the equivalent stress per cycle using energy based methodologies. The equivalent stress expressions are developed both for biaxial and multiaxial fatigue loads and are used to predict the number of cycles to failure based on previously developed prediction criterion. The equivalent stress expressions developed in this study are further used in a new finite element procedure to predict the fatigue life for two and three dimensional structures. In the second part of this study, a new Quadrilateral fatigue finite element is developed through integration of constitutive law into minimum potential energy formulation. This new QUAD-4 element is capable of simulating biaxial fatigue problems. The final output of this finite element analysis both using equivalent stress approach and using the new QUAD-4 fatigue element, is in the form of number of cycles to failure for each element on a scale in ascending or descending order. Therefore, the new finite element framework can provide the number of cycles to failure at each location in gas turbine engine structural components. In order to obtain experimental data for comparison, an Al6061-T6 plate is tested using a previously developed vibration based testing framework. The finite element analysis is performed for Al6061-T6 aluminum and the results are compared with experimental results.
In structural applications, brittle materials such as soda-lime glasses and ceramics are often subjected to multiaxial stress. Brittle materials with crack or damaged by foreign object impacts are abruptly fractured from cracks, because of their properities of very high strength and low fracture toughness. But in most cases, the residual strength has been derived from tests under uniaxial stress such as a 4-point bend test. The strengths under multiaxial stresses might be different from the strength. In comparable tests, the residual strength under biaxial stress state by the ball-on-ring test was greater than that under the uniaxial one by the 4-point bend test. In the case that crack having 90deg. to loading direction, the ratio of biaxial to uniaxial flexure strength was 1.12. At a different crack angle to loading direction when it was evaluated by the 4-point bend test, the residual strength was different and the ratio of 45deg. to 90deg. was 1.16.
In this study, the simulation of rolling contact fatigue based on stress analysis is conducted under Elastohydrodynamic Lubrication state. To predict a crack initiation life accurately, it is necessary to calculate contact stress and subsurface stresses accurately. Contact stresses are obtained by contact analysis of a semi-infinile solid based on the use of influence functions and the subsurface stress field is obtained using rectangular patch solutions. And a numerical algorithm using Newton-Rapson method was constructed to calculate the Elastohydrodynamic lubrication pressure. Based on these stress values, several multiaxial high-cycle fatigue criteria are used and the critical loads corresponding to fatigue limits are calculated.
This paper is a review of biaxial tensile test equipments and specimens. The stresses acting on a component in service are multiaxial in nature. Therefore, it is necessary to consider the mechanical properties of sheet materials not only under uniaxial but also under these multiaxial stress states. Biaxial testing of metal in industry becomes an important investigation tool for the evaluation of mechanical properties of sheet metals. In this paper, several types of biaxial tensile tests were reviewed, and their advantages and limitations were discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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