This paper presents a novel implicit level set method for topology optimization of functionally graded (FG) structures with pre-existing discontinuities (pre-cracks) using radial basis functions (RBF). The mathematical formulation of the optimization problem is developed by incorporating RBF-based nodal densities as design variables and minimizing compliance as the objective function. To accurately capture crack-tip behavior, crack-tip enrichment functions are introduced, and an eXtended Finite Element Method (X-FEM) is employed for analyzing the mechanical response of FG structures with strong discontinuities. The enforcement of boundary conditions is achieved using the Hamilton-Jacobi method. The study provides detailed mathematical expressions for topology optimization of systems with defects using FG materials. Numerical examples are presented to demonstrate the efficiency and reliability of the proposed methodology.
The material deficiencies in the form of pre-existing defects can initiated cracks and fractures. The stress distribution and fatigue crack initiation life of engineering materials may be associated with the size, the shape and the relative location of defects contained in the component. The objective of this study is to investigate the effect of arbitrarily located hole defect around the rivet hole of a wing section in monolithic aluminum and Al/GFRP laminates under cyclic bending moment during a service load. The stress distribution and the fatigue crack initiation behavior near a rivet hole of on the relationships between stress concentration factor ($K_t$) and relative position of defects were considered. The test results indicated the features of different stress field. Therefore, the stress concentration factor ($K_t$) and the fatigue crack initiation behavior was illustrated different behavior according to each position of hole defect around the rivet hole in monolithic aluminum and Al/GFRP laminates.
Lee Jin-Kyung;Park Young-Chul;Lee Kyu-Chang;Lee Sang-Pill;Cho Youn-Ho;Lee Joon-Hyun
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.10
s.241
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pp.1315-1320
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2005
TiNi alloy fiber was used to recover the original shape of materials using its shape memory effect. The shape memory alloy plays an important role within the metal matrix composite. The shape memory alloy can control the crack propagation in metal matrix composite, and improve the tensile strength of the composite. In this study, TiNi/A16061 shape memory alloy(SMA) composite was fabricated by hot press method, and pressed by a roller for its strength improvement. The four kinds of specimens were fabricated with $0\%,\;3.2\%,\;5.2\%\;and\;7\%$ and volume fraction of TiNi alloy fiber, respectively. A fatigue test has performed to evaluate the crack initiation and propagation for the TiNi/A16061 SMA composite fabricated by かis method. In order to study the shape memory effect of the TiNi alloy fiber, the test has also done under both conditions of the room temperature and high temperature. The relationship between the crack growth rate and the stress intensity factor was clarified for the composite, and the cold rolling effect was also studied.
Lee, Sang-Ik;Yang, Gyeong-Mo;Lee, Jemyung;Lee, Jong-Hyuk;Jeong, Yeong-Joon;Lee, Jun-Gu;Choi, Won
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.61
no.3
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pp.55-65
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2019
Although crack on concrete exists from its early formation, crack requires attention as it affects stiffness of structure and can lead demolition of structure as it grows. Detecting cracks on concrete is needed to take action prior to performance degradation of structure, and deep learning can be utilized for it. In this study, transfer learning, one of the deep learning techniques, was used to detect the crack, as the amount of crack's image data was limited. Pre-trained Inception-v3 was applied as a base model for the transfer learning. Web scrapping was utilized to fetch images of concrete wall with or without crack from web. In the recognition of crack, image post-process including changing size or removing color were applied. In the visualization of crack, source images divided into 30px, 50px or 100px size were used as input data, and different numbers of input data per category were applied for each case. With the results of visualized crack image, false positive and false negative errors were examined. Highest accuracy for the recognizing crack was achieved when the source images were adjusted into 224px size under gray-scale. In visualization, the result using 50 data per category under 100px interval size showed the smallest error. With regard to the false positive error, the best result was obtained using 400 data per category, and regarding to the false negative error, the case using 50 data per category showed the best result.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1996.04a
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pp.264-269
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1996
Thermal cracks are occurred when thermal stress due to the hydration of cement exceeds the tensile strength of concrete. In this study, the thermal stresses are investigated at the massive concrete like an anchorage of suspension bridge. The thermal crack can be controlled by considering the placing height, concrete type, pre-cooling and pipe cooling in the design stage.
The fatigue life of steel wire is affected not only by fatigue load, but also by corrosion environment in service period. Specially, the corrosion pit will lead to stress concentration on the surface of steel wire inducing the formation of fatigue cracks, and the fatigue cracks will accelerate the corrosion process. Therefore, the corrosion fatigue of steel wire is a coupling effect. In this study, the corrosion-fatigue coupling life curve is derived with considering corrosion-fatigue pitting stage, corrosion-fatigue short crack stage and corrosion-fatigue long crack stage. In addition, the stress concentration factors of different corrosion pits are calculated by COMSOL software. Furthermore, the effect of corrosion environment factors, that is, corrosion rate, corrosion pit morphology, frequency and action factor of fatigue load, on fatigue life of steel wire is analyzed. And then, the corrosion-fatigue coupling life curve is compared with the fatigue life curve and fatigue life curve with pre-corrosion. The result showed that the anti-fatigue performance of the steel wire with considering corrosion-fatigue coupling is 68.08% and 41.79% lower than fatigue life curve and fatigue life curve with pre-corrosion. Therefore, the corrosion-fatigue coupling effect should be considered in the design of steel wire.
Shin, Jae Hyuk;Jeong, Su-Heon;Kang, Gu-Heon;Lee, Heon Sub
Journal of Aerospace System Engineering
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v.12
no.3
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pp.38-44
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2018
Military aircraft may have fatigue cracks in structurally weak areas due to multiple factors such as the accumulation of flight time while perform various missions and unpredictable air conditions. As a fatigue crack progresses, there is a risk that the structure will be destroyed in extreme cases, which can have a significant impact on flight safety. In this study, a cracking phenomenon was observed during the periodic inspection the inner support of the fairing, which is installed to protect the connection between the wing and the body of the aircraft. Therefore, a study on a series of quality improvement processes for reformation was described. In order to identify the causes of cracks, pre-load generation occurrence during the wing assembly process was investigated and a fracture analysis was performed. Also, the design of the support structure was suggested in terms of preventing recurrence of cracks. The structural integrity was verified using a stress and fatigue life analysis.
An analytical study was conducted to characterize the fatigue crack growth behavior of pre-cracked aluminum plates repaired with asymmetric bonded composite patch. For single-sided repairs, due to the asymmetry and the presence of out-of$.$plane bending, crack front shape would become skewed curvilinear started from a uniform through-crack profile, as observed from Previous studies. Therefore, for the accurate investigation of fatigue behavior, it is necessary to predict the actual crack front evolution and take it into consideration in the analysis. In this study, the fatigue analysis of single-sided repairs considering crack front shape development was conducted by implementing three-dimensional successive finite element method coupled with linear elastic fracture mechanics (LEFM) concept, which enables the growing crack front to be directly traced and modeled in a step by step way. Through conducting present analysis technique, crack path of the patched plate as well as the fatigue life was evaluated with sufficient accuracy. The analytical predictions of both the crack front shape evolution and the fatigue life were in good agreement with the experimental observations.
In this study, thermal stress analysis are carried out considering material properties, curing condition, ambient temperature, and casting date of the mass concrete placed in bottom slab and side wall of the in-ground type LNG tank as a super massive structure. Also, based on the numerical results, cracking possibility is predicted and counter measures to prevent the cracking are proposed. For the tasks, two optimum mix proportions were selected. From the results of the thermal stress analysis, the through crack index of 1.2 was satisfied for separately caste concrete lots except for the bottom slab caste in 2 separate sequences. For the double caste bottom slab, it is necessary introduce counter measures such as pre-cooling prior to the site construction. Also, another crack preventive measure is to lower the initial casting temperature by $25^{\circ}C$ or less to satisfy 1.2 through crack index criterion. In the $1^{st}$ and $2^{nd}$ caste bottom slab, the surface crack index was over 1.2. Therefore, the surface cracks can be controlled by implementing the curing conditions proposed in this study. Since the side wall's surface crack index was over 1.0, it is safe to assume that the counter preventive measures can control width and number of cracks.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.5
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pp.68-75
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2021
This study performed simulating water absorption in various pre-cracked concretes. 2D-Finite Element Analysis (2D-FEA) model was developed based on experimental results on the amount of absorbed water in concrete with the exposure time. Results from the 2D-FEA showed that both crack width and crack depth strongly affect the amount of absorbed water in cracked concrete. In addition, water absorption rate is introduced and a predictive equation is suggested to estimate the rate in order to quantify the amount of absorbed water in cracked concrete. It was confirmed that water absorption in concrete having less than 150 mm crack depth was dominated as a main transport factor regardless of crack width. Therefore, considering that steel corrosion caused by chlorides dissolved in water mainly occurs in reinforced concrete structures, it is necessary that crack depth as well as crack width should be investigated in reinforced concrete structures at the time of field-inspection.
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