In order to ensure the structural integrity of nuclear welded structures during design life, the fatigue life has to be evaluated by fatigue analysis procedures presented in technical codes such as ASME B&PV Code Section III. However, existing fatigue analysis procedures do not explicitly consider the presence of welded joints. A new fatigue analysis procedure based on a structural stress/fracture mechanics approach has been recently developed in order to reduce conservatism by erasing uncertainty in the analysis procedure. A recent review of fatigue crack growth data under various mean loading conditions using the structural stress/fracture mechanics approach, does not consider the mean loading effect, revealed some significant discrepancies in fatigue crack growth curves according to the mean loading conditions. In this paper, we propose the use of the stress intensity factor range ${\Delta}K$ characterized with loading ratio R effects in terms of the structural stress. We demonstrate the effectiveness in characterizing fatigue crack growth and S-N behavior using the well-known data. It was identified that the S-N data under high mean loading could be consolidated in a master S-N curve for welded joints.
Recent deepwater offshore structures in the Gulf of Mexico utilize butt welded tubular joints. Application of a welded tubular joint includes tendons, production risers, and steel catenary risers. Fatigue life assessment of these joints becomes more critical, as the structures to which they are attached are allowed to undergo cyclic and sometimes large displacements around an anchored position. Estimation of the fatigue behavior of these tubular members in the design stage is generally condrcted by using S-N curves, as specified in the codeds and standards. Applying the stress concentration factor of the welded structure to the S-N approach often results in a very conservative assessment, because the stress field acting on the tubular has a non-uniform distribution through the thickness. Fatigue life analysis using fracture mechanics has been applied in the design of the catenary risers. This technology enables the engineer to establish proper requirements on weld quality and inspection acceptance criteria to assure satisfactory structural integrity during its design life. It also provides guidance on proper design curves and a methodology for accounting for the effects of non-uniform stress distribution through the wall thickness. Still, there is inconsistency when designing tubular joints using a conventional S-N approach and when specifying weld flaw acceptance criteria using fracture mechanics approach. This study developed fatigue curves that are consistent with both the S-N approach and the fracture mechanics approach. Accounting for non-uniform stress distribution and threshold stress intensity factor were key parameters in relating both approaches. A series of S-N curves, generated from the fracture mechanics approach, were compared to the existing S-N curves. For flat plate butt joint, the S-N curve generated from fracture mechanics matches with the IIW class 100 curve when initial crack depth was 0.5 mm (0.02 ). The new curves for tubular joint agree very well with the experimental results. The comparison also indicated the degree of conservatism built into the API X design curve.
International Journal of Ocean Engineering and Technology Speciallssue:Selected Papers
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제6권1호
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pp.69-74
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2003
Recent deepwater offshore structures in the Gulf of Mexico utilize butt welded tubular joints. Application of a welded tubular joint includes tendons, production risers, and steel catenary risers. Fatigue life assessment of these joints becomes more critical, as the structures to which they are attached are allowed to undergo cyclic and sometimes large displacements around an anchored position. Estimation of the fatigue behavior of these tubular members in the design stage is generally conducted by using S-N curves, as specified in the codes and standards. Applying the stress concentration factor of the welded structure to the S-N approach often results in a very conservative assessment, because the stress field acting on the tubular has a non-uniform distribution through the thickness. Fatigue life analysis using fracture mechanics has been applied in the design of the catenary risers. This technology enables the engineer to establish proper requirements on weld quality and inspection acceptance criteria to assure satisfactory structural integrity during its design life. It also provides guidance on proper design curves and a methodology for accounting for the effects of non-uniform stress distribution through the wall thickness. Still, there is inconsistency when designing tubular joints using a conventional S-N approach and when specifying weld flaw acceptance criteria using fracture mechanics approach. This study developed fatigue curves that are consistent with both the S-N approach and the fracture mechanics approach. Accounting for non-uniform stress distribution and threshold stress intensity factor were key parameters in relating both approaches. A series of S-N curves, generated from the fracture mechanics approach, were compared to the existing S-N curves. For flat plate butt joint, the S-N curve generated from fracture mechanics matches with the IIW class 100 curve when initial crack depth was 0.5 mm (0.02). The new curves for tubular joint agree very well with the experimental results. The comparison also indicated the degree of conservatism built into the API X design curve.
Ramachandra Murthy, A.;Vishnuvardhan, S.;Saravanan, M.;Gandhic, P.
Structural Engineering and Mechanics
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제72권1호
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pp.31-41
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2019
Structural integrity assessment of piping components is of paramount important for remaining life prediction, residual strength evaluation and for in-service inspection planning. For accurate prediction of these, a reliable fracture parameter is essential. One of the fracture parameters is stress intensity factor (SIF), which is generally preferred for high strength materials, can be evaluated by using linear elastic fracture mechanics principles. To employ available analytical and numerical procedures for fracture analysis of piping components, it takes considerable amount of time and effort. In view of this, an alternative approach to analytical and finite element analysis, a model based on relevance vector machine (RVM) is developed to predict SIF of part through crack of a piping component under fatigue loading. RVM is based on probabilistic approach and regression and it is established based on Bayesian formulation of a linear model with an appropriate prior that results in a sparse representation. Model for SIF prediction is developed by using MATLAB software wherein 70% of the data has been used for the development of RVM model and rest of the data is used for validation. The predicted SIF is found to be in good agreement with the corresponding analytical solution, and can be used for damage tolerant analysis of structural components.
In this paper, a finite element analysis based on the local approach concept to fracture in the continuum damage mechanics is performed to analyze ductile fracture in two dimensional quasi-static state. First an isotropic damage model based on the generalized concept of effective stress is proposed for structural materials in the context of large deformation. In this model, the stiffness degradation is taken as a measure of damage and so, the fracture phenomenon can be explained as the critical deterioration of stiffness at a material point. The modified Riks' continuation technique is used to solve incremental iterative equations. Crack propagation is achieved by removing critically damaged elements. The mesh size sensitivity analysis and the simulation of the well known shearing mode failure in plane strain state are carried out to verify the present formulation. As numerical examples, an edge cracked plate and the specimen with a circular hole under plane stress are taken. Load-displacement curves and successively fractured shapes are shown. From the results, it can be concluded that the proposed model based on the local approach concept in the continuum damage mechanics may be stated as a reasonable tool to explain ductile fracture initiation and crack propagation.
This study presents a methodology for the system reliability analysis of cracked structures with random material properties, which are modeled as random fields, and crack geometry under random static loads. The finite element method provides the computational framework to obtain the stress intensity solutions, and the first-order reliability method provides the basis for modeling and analysis of uncertainties. The ultimate structural system reliability is effectively evaluated by the stable configuration approach. Numerical examples are given for the case of random fracture toughness and load.
The elastic T-stress is increasingly being recognized as an important second parameter to the stress intensity factor for fracture and fatigue assessments. In this paper, the mutual or M-contour integral approach is employed in conjunction with the Boundary Element Method (BEM) to determine the numerical T-stress solutions for cracks in plates with multiple holes. The problems investigated include plates of infinite width with multiple holes at which single or double, symmetric cracks have grown from. Comparisons of these results are also made with the corresponding solutions of finite plates with a single hole. For completeness, stress intensity factor solutions for the cracked geometries analyzed are presented as well. These results will be useful for failure assessments using the two-parameter linear elastic fracture mechanics approach.
The study investigated effects of residual stresses and Charpy impact energy on brittle fractures of the butt weld between the valve and the piping, and of the valve body in nuclear power plants via a linear elastic fracture mechanics approach in the ASME B&PV Code, Sec.XI and finite element analysis. Weld residual stress in a butt weld between close check valve and piping, and residual stress in the valve due to casting process were assumed to be proportional to yield strength of base metal. Operating stresses in the butt weld and the valve body were calculated using approximate engineering formulae and finite element analysis, respectively. Applied stress intensity factors were calculated by assuming postulated cracks with specific sizes and then by substituting the residual stresses and the operating stresses into engineering formulae presented in the ASME B&PV Code, Sec.III. Plane strain fracture toughness was derived by using a correlation between Charpy V-notch impact energy and fracture toughness. Structural integrity of the weld and the body against brittle fracture was assessed by using the applied stress intensity factors, plane strain fracture toughness and the linear elastic fracture mechanics approach. As a result, it was identified that the structural integrity was maintained with decreasing the residual stress levels and increasing the Charpy V-notch impact energy.
초록 The validity, of a single parameter such as stress intensity, factor K or J-integral in traditional fracture mechanics depends strongly on the geometry, and loading condition. Therefore the second parameter like T-stress measuring the stress constraint is additionally needed to characterize the general crack-tip fields. While many, research works have been done to verify, the J-T description of elastic-plastic crack-tip stress fields in plane strain specimens, limited works (especially. for bimaterials) have been performed to describe the structural surface crack-front stress fields with the two parameters. On this background, via detailed three dimensional finite element analyses for surface-cracked plates and straight pipes of homogeneous materials and bimaterials under various loadings, we investigate the extended validity or limitation of the two parameter approach. We here first develop a full 3D mesh generating program for semi-elliptical surface cracks, and calculate elastic T-stress from the obtained finite element stress field. Comparing the J-T predictions to the elastic-plastic stresses from 3D finite element analyses. we then confirm the extended validity of fracture mechanics methodology based on the J-T two parameters in characterizing the surface crack-front fields of welded plates and pipes under various loadings.
대한용접접합학회 2002년도 Proceedings of the International Welding/Joining Conference-Korea
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pp.127-132
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2002
Recent deepwater offshore structures in Gulf of Mexico utilize butt welded tubular joints. Application of welded tubular joint includes tendons, production risers, and steel catenary risers. Fatigue life assessment of these joints becomes more critical because the structures to which they are attached are allowed to undergo cyclic and sometimes large displacements around an anchored position. Estimating the fatigue behavior of these tubular members in the design stage is generally conducted by using S-N curves specified in the codes and standards. Applying the stress concentration factor of the welded structure to S-N approach often results in very conservative assessment because the stress field acting on the tubular has a non-uniform distribution through the thickness. Fracture mechanics and fitness for service (FFS) technology have been applied in the design of the catenary risers. This technology enables the engineer to establish proper requirements on weld quality and inspection acceptance criteria to assure satisfactory structural integrity during its design life. It also provides guidance on proper design curves to be used and a methodology for accounting for the effects of non-uniform stress distribution through the wall thickness. An attempt was made to develop set of S-N curves based on fracture mechanics approach by considering non-uniform stress distribution and a threshold stress intensity factor. Series of S-N curves generated from this approach were compared to the existing S-N curves. For flat plate butt joint, the S-N curve generated from fracture mechanics matches with the IIW class 100 curve when initial crack depth was 0.5 mm (0.02"). Similar comparison with API X′ was made for tubular joint.. These initial crack depths are larger than the limits of inspection by current Non-destructive examination (NDE) means, such as Automatic Ultrasonic Inspection (AUT). Thus a safe approach can be taken by specifying acceptance criteria that are close to limits of sizing capability of the selected NDE method. The comparison illustrates conservatism built into the S-N design curve.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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