Background: Mitigation of primary water stress corrosion cracking (PWSCC) is a significant issue in the nuclear industry. Advanced nickel-based alloys with lower susceptibility have been adopted, although they do not seem to be entirely immune from PWSCC during normal operation. With regard to structural integrity assessments of the relevant components, an accurate evaluation of crack growth rate (CGR) is important. Methods: For the present study, the extended finite element method was adopted from among diverse meshless methods because of its advantages in arbitrary crack analysis. A user-subroutine based on the strain rate damage model was developed and incorporated into the crack growth evaluation. Results: The proposed method was verified by using the well-known Alloy 600 material with a reference CGR curve. The analyzed CGR curve of the alternative Alloy 690 material was then newly estimated by applying the proven method over a practical range of stress intensity factors. Conclusion: Reliable CGR curves were obtained without complex environmental facilities or a high degree of experimental effort. The proposed method may be used to assess the PWSCC resistance of nuclear components subjected to high residual stresses such as those resulting from dissimilar metal welding parts.
Estimation of accumulated rotational angles and settlements are critical in design of wind turbine foundation. However, there have been few exploring the response of bucket foundation to long-term cyclic loading. We performed a series of three-dimensional finite element analyses of bucket foundations installed in sands. An empirical formulation which captures the stiffness degradation observed in cyclic triaxial tests implemented into the finite element analysis in the form of a user subroutine. Using the stiffness degradation model the accumulated rotation and displacement of bucket foundation were calculated. Additionally, important factors affecting the response under cyclic loading were assessed.
The reinforced concrete lining of hydraulic pressure tunnels tends to crack under high inner water pressure (IWP), which results in the inner water exosmosis along cracks and involves typical hydro-mechanical interaction. This study aims at the development, validation and application of an indirect-coupled method to simulate the lining cracking process. Based on the concrete damage plasticity (CDP) model, the utility routine GETVRM and the user subroutine USDFLD in the finite element code ABAQUS is employed to calculate and adjust the secondary hydraulic conductivity according to the material damage and the plastic volume strain. The friction-contact method (FCM) is introduced to track the lining-rock interface behavior. Compared with the traditional node-shared method (NSM) model, the FCM model is more feasible to simulate the lining cracking process. The number of cracks and the reinforcement stress can be significantly reduced, which matches well with the observed results in engineering practices. Moreover, the damage evolution of reinforced concrete lining can be effectively slowed down. This numerical method provides an insight into the cracking process of reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels.
In this paper, we present a fatigue life prediction methodology using multiple S-N curves according to the different stress states of laminated composites. The stress states of the plies of the laminated composites are classified into five modes: longitudinal tension or compression and transverse tension or compression, and shear according to the maximum stress criterion and Puck's criterion with a scaling factor K. This methodology has advantages in computational cost, and it can also consider microstructural characteristics of the composites by applying different S-N curves. The S-N curves for the fatigue analysis are obtained by experimental fatigue test. The proposed methodol is implemented into commercial software, ABAQUS user material subroutine and therefore, the fatigue analysis is conducted using the structural analysis results. The finite element (FE) simulation results are presented for unidirectional composites with and without open-hole. The FE simulation results show that the stress condition is different depending on the fiber orientation of the unidirectional composite, so the fatigue life is calculated with different S-N curves.
Offshore wind energy has become a major energy source, and various studies are underway to increase the economic feasibility of floating offshore wind turbines (FOWT). In this study, the characteristics of wave-induced motion of a combined wind-wave energy platform were analyzed to reduce the variability of energy extraction. A user subroutine was developed, and numerical analysis was performed in connection with the ANSYS-AQWA hydrodynamic program in the time domain. A platform combining the TLP-type FOWT and the Wavestar-type wave energy converter (WEC) was proposed. Each motion response of the platform on the second-order wave load, the effect of WEC attachment and Power take-off (PTO) force were analyzed. The mooring line tension according to the installation location was also analyzed. The vertical motion of a single FOWT was increased approximately three times due to the second-order sum-frequency wave load. The PTO force of the WEC played as a vertical motion damper for the combined platform. The tension of the mooring lines in front of the incident wave direction was dominantly affected by the pitch of the platform, and the mooring lines located at the side of the platform were mainly affected by the heave of the platform.
The three-dimensional Hashin criterion and user subroutine VUMAT were used to simulate the damage in the composite layer, and the secondary stress criterion was used to simulate the interlayer failure of the cohesive element of the bonding layer and the propagation characteristics under the layer. The results showed that when the shear stress wave (shear wave) propagates on the surface of the laminate, the stress wave attenuation along the fiber strength direction is small, and thus producing a large stress profile. When the compressive stress wave (longitudinal wave) is transmitted between the layers, it is reflected immediately instead of being transmitted immediately. This phenomenon occurs only when the energy has accumulated to a certain degree between the layers. The transmission of longitudinal waves is related to the thickness and the layer orientation. Along the symmetry across the thickness direction, the greater is the stress amplitude along the layer direction. Based on the detailed investigation on the impact on various laminated composites carried out in this paper, the propagation characteristics of stress waves, the damage and the destruction of laminates can be explained from the perspective of stress waves and a reasonable layering sequence of the composite can be designed against damage and failure from low velocity impact.
Cherfi Mohamed;Zagane Mohammed El Sallah;Moulgada Abdelmadjid;Ait Kaci Djafar;Benouis Ali;Zahi Rachid;Sahli Abderahmen
Structural Engineering and Mechanics
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v.91
no.3
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pp.251-262
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2024
Numerical modeling using the finite element method (FEM) offers crucial insights into the mechanical behavior of prostheses, including stress and strain distribution, load transfer, and stress intensity factors. Analyzing cracking in PMMA surgical cement (polymethylmethacrylate) for total hip prostheses (THP) is essential for understanding the loosening phenomenon, as the rupture of orthopedic cement is a primary cause. By understanding various failure mechanisms, significant advancements in cemented total prostheses can be achieved. This study performed a numerical analysis using a 3D FEM model to evaluate stress levels in different THP models, aiming to model damage in the orthopedic cement used in total hip arthroplasty. Utilizing ABAQUS software, FEM, and XFEM, the damage in three types of THPs-Charnley (CMK3), Osteal (BM3), and THOMPSON was modeled under stumbling loading conditions. XFEM allowed for the consideration of crack propagation between the cement and bone, while the GEARING criterion employed a user-defined field subroutine to model damage parameters. The study's findings can contribute to improving implant fixation techniques and preventing postoperative complications in orthopedic surgery.
The generated blasting pressure wave initiated under decoupled-charge condition is a function of peak blasting pressure, rise time, and wave-shape function. The peak blasting pressure and the rise time are also the function of explosive and rock properties. The probabilistic distributions of explosive and rock properties are derived from the results of their property tests. Since the probabilistic distributions of explosive and rock properties displayed a normal distribution, the peak blasting pressure and the rise time can also be regarded as a normal distribution. Parameter analysis and uncertainty analysis were performed to identify the most influential parameter that affects the peak blasting pressure and the rise time. Even though the explosive properties were found to be the most influential parameters on the peak blasting pressure and the rise time from the parameter analyses, the result of uncertainty analysis showed that rock properties constituted major uncertainties in estimating the peak blasting pressure and the rise time rather than explosive properties. Damage and overbreak of the remaining rock around the excavation line induced by blasting were evaluated by dynamic numerical analysis. A user-subroutine to estimate the rock damage was coded based on the continuum damage mechanics. This subroutine was linked to a commercial program called 'ABAQUS/Explicit'. The results of dynamic numerical analysis showed that the rock damages generated by the initiation of stopping hole were larger than those from the initiation of contour hole. Several methods to minimize those damages were proposed such as relocation of stopping hole, detailed subdivision of rock classification, and so on. It was found that fracture probability criteria and fractured zones could be distinctively identified by applying fuzzy-random probability.
With the current move towards adopting mechanistic-empirical concepts in the design of pavement structures, state-of-the-art mechanistic analysis methodologies are needed to determine accurate pavement responses, such as stress, strain, and deformation. Previous laboratory studies of pavement foundation geomaterials, i.e., unbound granular materials used in base/subbase layers and fine-grained soils of a prepared subgrade, have shown that the resilient responses followed by nonlinear, stress-dependent behavior under repeated wheel loading. This nonlinear behavior is commonly characterized by stress-dependent resilient modulus material models that need to be incorporated into finite element (FE) based mechanistic pavement analysis methods to predict more realistically predict pavement responses for a mechanistic pavement analysis. Developed user material subroutine using aforementioned resilient model with nonlinear solution technique and convergence scheme with proven performance were successfully employed in general-purpose FE program, ABAQUS. This numerical analysis was investigated in predicted critical responses and domain selection with specific mesh generation was implemented to evaluate better prediction of pavement responses. Results obtained from both axisymmetric and three-dimensional (3D) nonlinear FE analyses were compared and remarkable findings were described for nonlinear FE analysis. The UMAT subroutine performance was also validated with the instrumented full scale pavement test section study results from the Federal Aviation Administration's National Airport Pavement Test Facility (FAA's NAPTF).
Park, K.S.;Oh, C.W.;Kim, T.W.;Jeong, Hyun-Yong;Kim, Y.H.
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.20
no.9
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pp.1399-1409
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2006
An improved friction model was proposed with consideration of the effect of the sliding speed, the contact pressure and the temperature, and it was implemented into a user subroutine of a commercial FEM code, ABAQUS/Explicit. Then, a smooth tire was simulated for free rolling, driving, braking and cornering situations using the improved friction model and the Coulomb friction model, and the effect of the friction models on the slip, the frictional energy distribution and the cornering force and moment was analyzed. For the free rolling, the driving and the braking situations, the improved friction model and the Coulomb friction model resulted in similar profiles of the slip and the frictional energy distributions although the magnitudes were different. The slips obtained from the simulations were in a good correlation with experimental data. For the cornering situation, the Coulomb friction model with the coefficient of friction of 1 or 2 resulted in lower or higher cornering forces and moments than experimental data. In addition, in contrast to experimental data it did not result in a maximum cornering force and a decrease of the cornering moment for the increase of the speed. However, the improved friction model resulted in similar cornering forces and moments to experimental data, and it resulted in a maximum cornering force and a decrease of the cornering moment for the increase of the speed, showing a good correlation with experimental data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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