The coating cracking on a substrate system was analyzed using a fracture mechanics approach. Multiple cracking in the bending configuration was analyzed using a variational mechanics approach to fracture mechanics of coatin $g_strate system. The strain energy release rate on bending geometry developed permits the prediction of crack growth in the coating layer on a substrate. Also, it can be used appropriately to the characterization of multiple cracking of coating. The obtained critical strain energy release rate (in-situ fracture toughness) will be a material property of coating and it will provide a better insight into coating cracking.ng.
Longitudinal fracture in a functionally graded beam configuration was studied analytically with taking into account the non-linear behavior of the material. A cantilever beam with two longitudinal cracks located symmetrically with respect to the centroid was analyzed. The material was functionally graded along the beam width as well as along the beam length. The fracture was studied in terms of the strain energy release rate. The influence of material gradient, crack location along the beam width, crack length and material non-linearity on the fracture behavior was investigated. It was shown that the analytical solution derived is very useful for parametric analyses of the non-linear longitudinal fracture behavior. It was found that by using appropriate material gradients in width and length directions of the beam, the strain energy release rate can be reduced significantly. Thus, the results obtained in the present paper may be applied for optimization of functionally graded beam structure with respect to the longitudinal fracture performance.
In this work, the effects of atmospheric oxygen plasma treatment of carbon fibers on mechanical interfacial properties of carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites was studied. The surface properties of the carbon fibers were determined by acid/base values, Fourier-transform infrared spectrometer (FT-IR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses. Also, the crack resistance properties of the composites were investigated in critical stress intensity factor ($K_{IC}$), and critical strain energy release rate mode II ($G_{IIC}$) measurements. As experimental results, FT-IR of the carbon fibers showed that the carboxyl/ester groups (C=O) at 1632 $cm^{-1}$ and hydroxyl group (O-H) at 3450 $cm^{-1}$ were observed for the plasma treated carbon fibers, and the treated carbon fibers had the higher O-H peak intensity than that of the untreated ones. The XPS results also indicated that the $O_{1S}/C_{1S}$ ratio of the carbon fiber surfaces treated by the oxygen plasma led to development of oxygen-containing functional groups. The mechanical interfacial properties of the composites, including $K_{IC}$ (critical stress intensity factor) and $G_{IIC}$ (critical strain energy release rate mode II), were also improved for the oxygen plasma-treated carbon fibersreinforced composites. These results could be explained that the oxygen plasma treatment played an important role to increase interfacial adhesions between carbon fibers and epoxy matrix resins in our composite system.
This paper studies the energies and energy release rate (ERR) for the initially rotationally symmetric compressed (or stretched) in the inward (outward) radial direction of the PZT/Elastic/PZT sandwich circular plate with interface penny-shaped cracks. The investigations are made by utilizing the so-called three-dimensional linearized field equations and relations of electro-elasticity for piezoelectric materials. The quantities related to the initial stress state are determined within the scope of the classical linear theory of piezoelectricity. Mathematical formulation of the corresponding problem and determination of the quantities related to the stress-strain state which appear as a result of the action of the uniformly normal additional opening forces acting on the penny-shaped crack's edges are made within the scope of the aforementioned three-dimensional linearized field equations solution which is obtained with the use of the FEM modelling. Numerical results of the energies and ERR and the influence of the problem parameters on these quantities are presented and discussed for the PZT- 5H/Al/PZT-5H, PZT-4/Al/PZT-4, $BaTiO_3/Al/BaTiO_3$ and PZT-5H/StPZT-5H sandwich plates. In particular, it is established that the magnitude of the influence of the piezoelectricity and initial loading on the ERR increases with crack radius length.
In order to find out a physical quantity which controls the fatigue life of a structure and to predict the fatigue life of tires, a finite element simulation methodology to use the cracking energy density (CED) and the virtual crack closure technique (VCCT) was proposed and applied to three different tires of a similar size. CED was calculated to predict the location of a crack initiation, and VCCT was used to obtain the strain energy release rate (SERR) at the tip of an initiated crack. Finite element simulations showed that SERR oscillated in the circumferential direction with its minimum occurring just before the contact zone and its maximum occurring just after the center of the contact zone, and SERR was affected significantly by the frictional force acting on the crack surface. In addition, a durability test was conducted to measure the fatigue life of the three tires. The comparison of SERR values with the test data revealed that the fatigue life increased as the amplitude of SERR decreased or as the R-ratio of SERR increased.
In this study, when the applied directions of tensile loading is changed fatigue damage of quasi-isotropic composite laminates was discussed. Low cycle fatigue tests of $[0/-60/+60]_s$ laminates and $[+30/-30/90]_s$ laminates were carried out. Material systems used were AS4/Epoxy and AS4/PEEK. The fatigue damage of $[+30/-30/90]_s$ laminates differed from that of $[0/-60/+60]_s$ laminates. The position of delamination generated at AS4/Epoxy and AS4/PEEK $[+30/-30/90]_s$ laminates appeared differently according to the kind of matrix. Critical values of strain energy release rate were obtained by using the strain measured at the initiation of delamination. The experimental results agreed well with the results obtained by the proposed method for determining strain energy release rate.
Kim, Wonho;Kim, Minyoung;Chang, Young-Wook;Shin, Jung-Eun;Bae, Jong-Woo
Macromolecular Research
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v.11
no.2
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pp.73-79
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2003
Generally, field performance of elastomeric track pad components has been poor, especially for the medium to heavy tonnage tracked vehicles, which are operated on the hilly cross-country course. The service life of these track pad, is affected not only by the terrain and environmental conditions but also by the speed, cornering, braking, weight of the vehicle, and the track tread design. In this research, modulus, tearing energy, and the rate of crack propagation of vulcanizates are evaluated by changing base materials to improve the service time of track pad. By increasing the contents of carbon black, modulus, tearing energy, and fatigue crack growth resistance of vulcanizates improved. Compared with the NR vulcanizate, the HNBR vulcanizate had a higher value of tearing energy. The rate of crack propagation of vulcanizates using smaller size carbon black was slower than that using larger size carbon black. When the HNBR was blended with the ZSC, the tearing energy of the vulcanizates was a little reduced because of the high modulus but the crack propagation rate was reduced significantly. In the relation between the crack propagation rate and the strain energy release rate, though up to 100% strain were applied to specimens, the slope on the log scale ($\beta$) varied between 1.72 and 2.3 with the kind of elastomer.
The present paper deals with delamination fracture analyses of the multilayered functionally graded non-linear elastic Symmetric Split Beam (SSB) configurations. The material is functionally graded in both width and height directions in each layer. It is assumed that the material properties are distributed non-symmetrically with respect to the centroidal axes of the beam cross-section. Sine laws are used to describe the continuous variation of the material properties in the cross-sections of the layers. The delamination fracture is analyzed in terms of the strain energy release rate by considering the balance of the energy. A comparison with the J-integral is performed for verification. The solution derived is used for parametric analyses of the delamination fracture behavior of the multilayered functionally graded SSB in order to evaluate the effects of the sine gradients of the three material properties in the width and height directions of the layers and the location of the crack along the beam width on the strain energy release rate. The solution obtained is valid for two-dimensional functionally graded non-linear elastic SSB configurations which are made of an arbitrary number of lengthwise vertical layers. A delamination crack is located arbitrary between layers. Thus, the two crack arms have different widths. Besides, the layers have individual widths and material properties.
A modified mixed mode bending test was performed to investigate the mixed mode delamination for carbon/epoxy composite material. Various mixed mode ratios could be produced by changing the applied load position on the loading lever and the bending load position on the specimen. The modified mixed mode bending test was analyzed to obtain strain energy release rates using beam theory, compliance method and finite element method, This results were in good agreement with the experimental result, which confirmed the validity of this test.
The metis element method (Hung 1978) has been applied to analyse free edge interlaminar stresses and delamination in composite laminates, which are subjected to extension and bending. The paper recalls Lekhnitskii's solution for generalized plane strain state of composite laminate and Wang's singular solution for determination of stress singularity order and of eigen coefficients $C_m$ for delamination problem. Then the formulae of metis displacement finite element in two-dimensional problem are established. Computation of the stress intensity factors and the energy release rates are presented in details. The energy release rate, G, is computed by Irwin's virtual crack technique using metis elements. Finally, results of interlaminar stresses, the three stress intensity factors and the energy release rates for delamination crack in composite laminates under extension and bending are illustrated and compared with the literature to demonstrate the efficiency of the present method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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