Functionally Graded Materials (FGM) as advanced heterogeneous composite materials have a higher performance than a conventional composite or bimaterial composite under some severe environments. As a heterogeneous material, FGM is commonly used in spacecraft, defense, nuclear and automotive industries due to its excellent properties. The purposes of this study are to evaluate the stress distribution and crack behaviors by the multiscale simulation. FGM contains two or more than two materials that the composition is structured continuously. Two types of FGM model are suggested, which are created by arbitrary prediction of the volume fraction and the exponential function. Aluminum as the metal matrix constituent and silicon carbide as the ceramic particle constituent are structured gradually by two types and the three point bending test also estimated. Moreover, two kinds of crack location were introduced in order to get the influences of material property distribution on the stress intensity factor. From the results we found that the stress intensity factors are increased in the case from softer to stiffer material, while vice versa.
In the particular situations where the crack is terminated at an interface of two materials, the order of stress singularity depends on the elastic constants which specify the properties of two materials. A multidomain boundary element technique is used to solve a crack normal to bimaterial interface. A correct order of shape function is used for displacement by using the isoparametric elements by shifting adequately the side nodes adjacent to this crack tip. A shape function containing the same order of singularity as that in the interface crack is also used for the interpolation of traction. Numerical testing of a binaterial with a crack normal to the interface is carried out with three-node elements. The results obtained are compared with the previous solutions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.3
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pp.434-442
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2001
When the interfacial crack of two dissimilar isotropic bi-materials is propagated with constant velocity along the interface, stress and displacement components are derived in this research. The dynamic photoelastic experimental hybrid method for bimaterial is introduced. It is assured that stress components and dynamic photoelastic hybrid method developed in this research are valid. Separating method of stress component is introduced from only dynamic photoelastic fringe patterns. Crack propagating velocity of interfacial crack is 80∼85% (in case of aluminum, 24.3∼25.9%) of Rayleigh wave velocity of epoxy resin. The near-field stress components of crack-tip are similar with those of pure isotropic material under static or dynamic loading, but very near-field stress components of crack-tip are different from those.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.23
no.2
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pp.145-151
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2014
Recently, the growing demand for weight reduction and improved structure durabilityfor commercial vehicles has led to active research into the development and application of suitablecomposite materials. This studysuggests abimaterial composite frame produced by apultrusion process to replace steel frames. We focused on the development of a composite frameconsisting of two types of materialsby mixing anorthotropic material with anisotropic material. The inside layer consisted of an aluminum pipe, and the outside layer was composed of a glass fiber pipe. To determine the strength and failure mechanisms of the composite material, tensile tests, shear tests, and three-point bending tests were conducted, followed by fatigue tests. After static testing, the fatigue tests were conducted at a load frequency of 5 Hz, a stress ratio (R) of 0.1, and an endurance limit of $10^6$ for the S-N curve. The resultsshowed that the failure modes were related to both the core design and the laminating conditions.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.14
no.8
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pp.137-145
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1997
A two-dimensional program for the analysis of bimaterial inclusion has been developed using the bound- ary element method. In order to study the effects of circular inclusion on the stress field of the crack tip, numerical analysis was performed for the straight crack of finite length around the symmetric circular inclusion whose modulus of elasticity was different from that of the matrix material. In the case of inclusion whose stiffness was smaller than that of the matrix material, the stress intensity factor was found to increase as the crack enamated. The stress intensity factor was uninfluenced from the radial change in inclusion and remained constant for the stiffness equivalent to the matrix materials, where as it decreased for the inclusion with larger stiffness. For the vareation in the distance of the inclusion, a small increase in the stress intensity factor was observed for the case with small or equal stiffness compared with the matrix materials. The inclusion with larger stiffness showed a gradual decrease in the strss intensity factor as the crack emanated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.7
s.94
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pp.1794-1804
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1993
The thermal stress intensity factors for interface cracks of Griffith and symmetric lip cusp types under vertical uniform heat flow in a finite body are calculated by boundary element method. The boundary conditions on the crack surfaces are insulated or fixed to constant temperature. The relationship between the stress intensity factors and the displacements on the nodal point of a crack tip element is derived. The numerical values of the thermal stress intensity factors for interface Griffith crack in an infinite body and for symmetric lip cusp crack in a finite and homogeneous body are compared with the previous solutions. The thermal stress intensity factors for symmetric lip cusp interface crack in a finite body are calculated with respect to various effective crack lengths, configuration parameters, material property ratios and the thermal boundary conditions on the crack surfaces. Under the same outer boundary conditions, there are no appreciable differences in the distribution of thermal stress intensity factors with respect to each material properties. But the effect of crack surface thermal boundary conditions on the thermal stress intensity factors is considerable.
The mechanical damage of concrete is normally attributed to the formation of microcracks and their propagation and coalescence into macroscopic cracks. This physical degradation is caused from progressive and hierarchical damage of the microstructure due to debonding and slip along bimaterial interfaces at the mesoscale. Their growth and coalescence leads to initiation of hairline discrete cracks at the mesoscale. Eventually, single or multiple major discrete cracks develop at the macroscale. In this paper, from this conceptual model of mechanical damage in concrete, the computational efforts were made in order to characterize physical cracks and how to quantify the damage of concrete materials within the laws of thermodynamics with the aid of interface element in traditional finite element methodology. One dimensional effective traction/jump constitutive interface law is introduced in order to accommodate the normal opening and tangential slips on the interfaces between different materials(adhesion) or similar materials(cohesion) in two and three dimensional problems. Mode I failure and mixed mode failure of various geometries and boundary conditions are discussed in the sense of crack propagation and their spent of fracture energy under monotonic displacement control.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.4
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pp.423-431
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2004
For the fracture mechanics analysis of cracks in welds of dissimilar steels, residual stress analysis and fracture analysis must be performed simultaneously. The standard definition of the J -integral leads to a path dependent value in the presence of a residual stress field. And unlike cracks in homogeneous materials, a bimaterial interface crack always induces both opening and shearing modes of stress in the vicinity of the crack tip. Therefore, it is necessary to develope a path independent J-integral definition for a crack in a residual stress field generated by welding of dissimilar steels. This paper addresses the modification of the Rice-J-integral to produce a path independent J -integral when residual stresses due to welding of dissimilar steels and external forces are present. The residual stress problem is treated as an initial strain problem and the J-integral proposed for this class of problems is used. And a program which can evaluate the J -integral for a crack in a weld of dissimialr steels is developed using proposed J integral definition.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.3
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pp.389-398
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2002
The mixed mode problem (I and II) of a peny-shaped interface cracks in remote tension loading on a bi-material cylinder is studied using finite element method. The energy release rates for the tip of the crack in the interface were calibrated for several different moduli combinations and crack ratios using the modified crack closure integral technique and J-integral method, with numerical results obtained from a commercial finite element program. Numerical results show that non-dimensional value of$\sqrt{G_{II}E^*}/\sqrt[p]{\pi a}$ increases as the crack size or moduli ratio increases. Meanwhile, non-dimensional value of$\sqrt{G_{I}E^*}/\sqrt[p]{\pi a}$ decreases as the moduli ratio increases, but above the moduli ratio of 3 its value decreases then increases again as the crack size increases. Reliability of the numerical analysis in this study was acquired with comparison to an analytical solution for the peny-shaped interface crack in an infinite medium.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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